Volume 21, numéro 1, mars 2007

Technologie à contact direct: fonctionnement, applications et économies

Les chaudières à eau chaude utilisant le mode de transfert de chaleur par contact direct entre les gaz de combustion et l’eau sont reconnues pour leur haut rendement énergétique. Pour atteindre ce plein potentiel énergétique, il est essentiel de les utiliser dans une application leur convenant.

Principe de fonctionnement

Le principe de transfert de chaleur est simple (Figure 1). Les gaz de combustion à haute température deviennent, dans la région de la flamme, saturés d’eau par l’évaporation de l’eau descendante. Cette vapeur d’eau condense de nouveau lorsqu’elle entre en contact avec les nodules d’acier inoxydable maintenus relativement froids par les jets d’eau à l’entrée. À la sortie de cette section de nodules, les gaz de combustion rencontrent un environnement encore plus froid en passant sous la douche froide. Les gaz de combustion sont donc plus refroidis et sortent du chauffe-eau à une température proche de la température d’entrée d’eau.

Figure 1: Chauffe-eau à contact direct

Plus la température de l’eau à l’entrée du chauffe-eau est froide, plus les produits de combustion du gaz naturel sortiront froids et propulseront davantage l’efficacité thermique du chauffe-eau à contact direct vers 100 %.

Étant donné que les gaz de combustion entrent en contact direct avec l’eau, il est important de vérifier si les faibles concentrations de contaminants provenant de ceux-ci ont un effet sur le procédé. Si tel est le cas, il est possible de fonctionner avec un système à boucle primaire et secondaire. De cette façon, l’eau de procédé n’entre pas en contact avec celle du chauffe-eau.

Applications typiques recommandées
  • Production d’eau chaude de procédé
  • Production d’eau chaude sanitaire
  • Préchauffage de l’eau d’appoint des chaudières
  • Chauffage de l’air frais
  • Système de chauffage hydronique à basse température

Avantages par rapport aux chaudières traditionnelles
  • Rendement énergétique supérieur
  • Réduction des émissions de GES
  • Faible besoin de maintenance
  • Réponse rapide à la demande d’eau chaude
  • Faible perte thermique en période d’attente
  • Faible perte thermique par radiation
  • Réglementation souple comparativement aux vaisseaux sous pression.

Étant donné que cette technologie provoque la condensation des produits de combustion, le gaz naturel devient la source d’énergie de choix. Dans certaines applications, ces chauffe-eau peuvent atteindre une efficacité thermique de 99 %. Toutefois, il est très important lors du processus de conception de prévenir une haute température de retour d’eau. Si la température de l’eau à l’entrée du chauffe- eau est supérieure au point de rosée des produits de combustion (140 °F), la récupé­ration de l’énergie latente contenue dans ces produits de combustion sera réduite et entraînera des pertes par évaporation. Cette vapeur d’eau éjectée contenant environ 1 000 Btu/lb sera perdue directement à la cheminée du chauffe-eau et réduira la performance du produit. Le graphique montre la relation entre la température de l’eau à l’entrée et l’efficacité du chauffe-eau à contact direct.

Économies potentielles

Les économies potentielles reliées à l’utilisation de ce chauffe-eau à gaz naturel sont de l’ordre de 15 % à 20 % comparati­vement à une chaudière à vapeur traditionnelle (voir exemple).

Exemple
Une chaudière de type « tube à eau » de 100 BHP produisant de la vapeur à 15 PSIG servant à la production d’eau chaude par l’entremise d’un échangeur vapeur-eau. Si la température de l’eau de retour est de 100 °F, que l’efficacité thermique approximative de cette chaudière traditionnelle est de 80 % et que ce système fonctionne en moyenne 4 000 heures par année à 70 % de sa capacité, la consommation de gaz naturel sera d’environ 336 000 m3 par année.
En fonction de la courbe d’efficacité présentée, l’efficacité approximative de ce même procédé avec un chauffe-eau à contact direct serait d’environ 95 % (retour d’eau à 100 °F). Le remplacement de cette chaudière par un système à contact direct générerait une nouvelle consommation estimable de la façon suivante :
L’économie de volume correspondant à cet exemple est d’environ 53 000 m3 de gaz naturel par année. À titre indicatif, cette économie serait réduite à environ 20 000 m3 par année si la température de retour au chauffe-eau était 140 °F plutôt que 100 °F.

La technologie à contact direct est très intéressante pour récupérer l’énergie thermique perdue par des équipements existants rejetant des gaz chauds comme des chaudières et des fours. Le brûleur de l’équipement à contact direct peut être remplacé ou combiné avec ce débit de gaz chaud afin de produire de l’eau chaude et ainsi réduire la facture globale d’énergie.

Bref, l’utilisation de la technologie à contact direct est simple et peut générer des économies très intéressantes. Ces économies peuvent atteindre rapidement l’ordre de 15 à 20 % si elle est utilisée dans des applications qui assurent un retour d’eau relativement froid.

Martin Blanchet, ing.
Conseiller technique
Groupe DATECH