— Les chaudières à chauffage indirect : l'électricité génère une surface chaude qui transmet au fluide à chauffer l'énergie thermique par convection et conduction.
— Les chaudières à chauffage direct : la chaleur est générée directement au sein du fluide par effet Joule, le liquide se comportant comme une résistance.
C'est le cas des chaudières à résistances blindées ou à thermoplongeurs, des chaudières à haut flux, des chaudières à résistances nues et des chaudières à induction.
Les chaudières à thermoplongeurs
La chaleur est générée par des résistances électriques blindées constamment immergées dans le liquide à chauffer grâce à un dispositif de régulation du niveau d'eau. Elles sont toujours disposées en partie basse du corps chaudronné cylindrique d'axe horizontal constituant la chaudière proprement dite. Dans le cas de production de vapeur, la partie haute du corps chaudronné constitue la chambre de vaporisation.
[Photo : Générateur à thermoplongeurs.]
L'alimentation en énergie électrique des éléments chauffants s'effectue en basse tension, généralement en courant triphasé jusqu'à 660 V.
La régulation de la puissance s'obtient :
— par tout ou rien, en commandant l'ensemble des éléments chauffants pour les petites et moyennes puissances ;
— par fractionnement de la puissance installée ou par modulation continue pour les chaudières de forte puissance.
La gamme de puissances varie de quelques dizaines de kW à 8 000 kW environ, ce qui, dans le cas de production de vapeur, correspond à une capacité supérieure à 10 t/h. Seules des contraintes d'ordre économique limitent actuellement la construction des chaudières à résistances de puissance plus importante. Si la pression de service n'est pas limitée, elle est, en général, comprise entre 6 et 15 bars. La densité du flux thermique émis par les thermoplongeurs est choisie en fonction de la nature du fluide à chauffer ; elle varie généralement entre 2,2 W/cm² et 8 W/cm².
La famille des chaudières à thermoplongeurs comporte également :
Les chaudières multi-énergies
Dans le cas d'installations neuves ou lorsqu'il s'agit de renouveler une chaudière existante, certains constructeurs proposent des chaudières équipées pour fonctionner avec plusieurs sources d'énergie ; en général, il s'agit du fioul (ou du gaz) et de l'électricité. Ces deux sources peuvent être employées soit simultanément, soit alternativement.
L'électricité peut être utilisée en bi-énergie saisonnière pendant les périodes tarifaires avantageuses tandis que le fioul est utilisé le reste du temps ou quand la puissance appelée dépasse celle que peut fournir l'équipement électrique seul, c'est alors le cas d'installations fonctionnant en double énergie.
Les caractéristiques de la partie électrique des chaudières multi-énergétiques sont les mêmes que celles des chaudières à thermoplongeurs ; l'autre partie est conçue comme une chaudière à combustible classique.
Pour les puissances moyennes, les chaudières multi-énergies présentent l'avantage de la compacité (encombrement moindre que celui de deux chaudières). Pour les grosses puissances (P = 7 000 kW), compte tenu des dimensions importantes des thermoplongeurs, l'avantage économique de ce type de chaudière se trouve réduit par rapport à deux chaudières distinctes.
Les chaudières à fluide thermique
Les installations à vapeur ou à eau surchauffée ne permettent pas de dépasser, sans complication et sans coût excessif, la température de 200 °C qui correspond à une pression de 16 bars. Aussi, pour satisfaire certains processus de fabrication utilisés dans l'industrie chimique, il est souvent nécessaire d'obtenir des températures supérieures à cette valeur. Les chaudières à fluide thermique ont la particularité de pouvoir délivrer, sous la pression atmosphérique, un fluide thermique, généralement une huile de synthèse, dont la température peut atteindre jusqu'à 350 °C.
Elles sont constituées :
- — d'un réchauffeur à circulation équipé d'un ou plusieurs thermoplongeurs montés sur bride, vissés ou de résistances montées sur barillet en stéatite,
- — d'une pompe et d'un système de contrôle et de sécurité.
Compte tenu des variations importantes de température, il est indispensable de prévoir un vase d'expansion capable d'absorber la dilatation (25 à 30 % environ) du volume du liquide thermique utilisé.
[Photo : Fig. 2 – Générateur mixte pour bi-énergie fioul-électricité (doc. Goemine). Légende : B : brûleur ; Bo : boîtier(s) ; F : tableau électrique ; T : thermoplongeurs ; To : trou d’homme ; départ de fumée ; pompe alimentaire ; S : soupape.]
Les chaudières à haut flux
Dans la catégorie des chaudières à résistances électriques, on trouve les chaudières à haut flux. Celles-ci utilisent un élément chauffant appelé canne chauffante autorisant des densités de flux de chaleur transmises pouvant atteindre 40 à 80 W/cm².
L'élément chauffant des chaudières à haut flux est inséré dans un tube guide. Le fluide à chauffer circule entre la paroi intérieure du tube et l'enveloppe de la résistance blindée, comme indiqué sur la figure ci-dessous. La vitesse élevée du fluide (2 à 5 m/s pour les liquides) crée les conditions d'un écoulement turbulent avec un coefficient de convection important.
[Photo : Fig. 3 – Chaudière électrique à fluide thermique (schéma de principe).]
Grâce à leurs performances, ces équipements peuvent être utilisés pour le réchauffage des fluides jusqu'à des pressions de 200 bars et des températures de 800 °C.
Ils sont plus compacts que les chaudières à thermoplongeurs et, en raison de leur contenance en eau réduite, ils sont classés en 3ᵉ catégorie au titre de l'arrêté du 2 avril 1926, et ce jusqu'à des puissances voisines de 2 500 kW.
[Photo : Fig. 4 – Chaudière à haut flux.]
Les chaudières
à résistances nues
Les chaudières à résistance nues utilisent des fils métalliques immergés dans l'eau qu'ils portent à ébullition. Chaque fil résistant est enfermé dans un tube cylindrique isolant, en communication avec la chambre de vaporisation et avec l'eau de chaudière. L'eau échauffée monte par convection naturelle le long des tubes. Ces chaudières appartiennent à la catégorie des chaudières à chauffage indirect dans la mesure où le courant échauffe, par effet Joule, un élément qui transmet, ensuite, sa chaleur à l'eau.
Le transfert direct de la chaleur entre le fil résistant et l'eau diminue les écarts de température observés dans les résistances blindées. Pour une même température de fil résistant, le flux thermique est donc nettement plus important : il atteint les valeurs de l’ordre de 50 W/cm², ce qui permet une diminution sensible du volume en eau de ce générateur qui n'est pas soumis à la réglementation française pour des puissances inférieures à 100 kW.
[Photo : Chaudière à résistances nues]
Les chaudières à induction
Ces chaudières, du point de vue électrique, sont conçues selon la même architecture qu'un transformateur triphasé.
Elles comportent donc :
— un circuit magnétique classique à trois colonnes ou noyaux,
— un enroulement primaire triphasé formé de fils de cuivre à isolement sec alimenté directement à la tension du réseau (5 kV à 24 kV),
— des enroulements secondaires constitués de tubes en acier inoxydable « bobinés » autour de chaque phase de l'enroulement primaire et mis en court-circuit électrique.
Lorsque le primaire du transformateur est mis sous tension, un courant électrique circule dans la paroi du tube de l'enroulement secondaire, l’échauffe par effet Joule et transmet par conduction thermique et convection au fluide à chauffer (eau, huile...) qu'il contient, l'énergie convertie en énergie thermique. Le secondaire constitue le corps de chauffe proprement dit. Selon les constructeurs, deux types de régulations sont utilisés :
— Régulation par thyristors. Elle agit directement au secondaire du transformateur dont les enroulements tubulaires sont reliés hydrauliquement et couplés électriquement par des thyristors.
— Régulation par inductances saturables. Le réglage de la puissance est obtenu dans ce cas en agissant sur la tension d'alimentation du primaire du transformateur par l'intermédiaire d'une inductance variable en série avec chaque enroulement primaire.
Utilisées en production d’eau chaude et de chauffage de fluide thermique, ces chaudières, dont la gamme de puissances varie de 250 kW jusqu'à 4 500 kW, couvrent désormais d'autres applications comme par exemple la production de vapeur.
[Photo : Chaudière à induction (schéma de principe)]
(à suivre)
