Les chaudières électriques (2ème partie)

L’alimentation électrique des chaudières à électrodes s’effectue parfois en basse tension (380 V) ; elle est plus fréquemment assurée en moyenne tension jusqu’à 20 kV. Le chauffage de l'eau y est obtenu sans surface d’échange intermédiaire ; l'eau à vaporiser est utilisée comme une résistance électrique liquide capable de s’échauffer au passage du courant.

Trois types de chaudières satisfont à ce principe :

• les chaudières à électrodes plongeantes utilisées en production d'eau chaude,

• les chaudières à électrodes immergées,

• les chaudières à électrodes et jets multiples.

Ces deux derniers types sont utilisés en production de vapeur ; la gamme des puissances de ces équipements s'étend de 4 000 kW à plus de 70 000 kW.

* Suite de l'article dont la 1re partie est parue dans notre numéro d’octobre.

Les chaudières à électrodes plongeantes

Elles sont généralement constituées d'une enceinte métallique remplie d'eau dans laquelle plonge un triplet d’électrodes de phases, électriquement isolées de la cuve. L’électrode de point neutre est constituée de tubes cylindriques liés à la cuve et entourant les électrodes de phase.

Des écrans de réglage en matériau isolant sont fixés à un palonnier commun relié à un moteur de réglage. Les écrans peuvent se déplacer verticalement entre les électrodes de phase et celle du neutre. Ils permettent de faire varier la puissance de la chaudière en modifiant les résistances au passage du courant.

Les performances et les caractéristiques de ces chaudières (P = 15 000 kW) les rendent particulièrement adaptées pour la production d’eau chaude dans les secteurs collectif, résidentiel ou tertiaire.

Les chaudières à électrodes immergées

Le corps de la chaudière est dans ce cas constitué d'une cuve externe supportant la pression de vapeur. Suspendues au sommet de cette cuve par des isolateurs, les trois électrodes de phase baignent dans l'eau contenue dans une cuve interne montée sur console dont le fond est muni d'une vanne de réglage (vanne papillon). Ainsi, les chaudières à niveau d'eau variable comprennent essentiellement deux cuves :

— la cuve externe, qui constitue le corps de la chaudière mais également une réserve d'eau,

— la cuve interne, qui est le générateur de vapeur proprement dit où sont immergées les électrodes.

Une pompe fait circuler en permanence l'eau de la chaudière entre les cuves externe et interne, d'une part, pour contrôler la conductivité de l'eau dans la cuve interne d'où ne s'échappe que de la vapeur et, d'autre part, pour entraîner les bulles de vapeur se formant sur les électrodes.

Le réglage de la puissance est réalisé de la façon suivante :

La puissance maximum est obtenue pour un remplissage correspondant au niveau haut de la cuve interne. L'alimentation en eau (remplacement de l'eau s'échappant de la chaudière sous forme de vapeur) s'effectue à la partie inférieure de la cuve externe. La pompe de circulation transfère l'eau de la cuve externe vers la cuve interne par trois arrivées débouchant chacune sous les électrodes.

Deux vannes de régulation, l'une sur la tuyauterie au refoulement de la pompe de circulation (remplissage de la cuve interne), l'autre en fond de cuve intérieure (vidange) travaillent en opposition. Lorsque la demande de vapeur augmente, la vanne de fond de cuve intérieure tend à se fermer, tandis que celle de la boucle extérieure de circulation (au refoulement de la pompe de circulation) tend à s'ouvrir. Ceci entraîne une élévation immédiate du niveau de l'eau dans la cuve intérieure et, par conséquent, une production plus importante de vapeur et de la puissance électrique appelée. Inversement, lorsque la demande de vapeur diminue, l'action des deux vannes de régulation agit en sens inverse et le niveau de la cuve intérieure baisse.

Afin de maintenir la conductivité électrique constante, le volume total d'eau dans la chaudière (cuve interne et cuve externe) est constant. Le maintien de ce volume constant est obtenu par contrôle (niveau) de la somme des volumes de chaque cuve.

Les chaudières à jets multiples

Le principe de base consiste à générer des « jets d'eau » entre deux électrodes reliées à des potentiels différents.

Chaque jet d'eau constitue une résistance électrique élémentaire qui s'échauffe lors du passage du courant et entraîne la vaporisation de l'eau en circulation.

Une chaudière à jets multiples est constituée d'un corps de chaudière cylindrique d'axe vertical. En son centre est implanté le collecteur porte-buses et, à quelque distance de ce dernier, sont fixés des triplets d'électrodes reliées aux trois phases du réseau électrique. Utilisées pour amener le courant, ces électrodes permettent également, et compte tenu de leur forme, de recueillir l'eau non vaporisée avant de générer, par gravité, de nouveaux jets entre elles-mêmes et des contre-électrodes reliées à la cuve.

L'alimentation s'effectue en courant alternatif, sous une tension qui varie selon les constructeurs de 10 à 20 kV.

Lors du démarrage à froid de la chaudière et préalablement à la phase de production de vapeur, il est nécessaire d'assurer la mise en température de l'eau qu'elle contient et la montée en pression de l'enceinte. Cette opération est réalisée au moyen d'un thermoplongeur R permettant de porter à la température de 150 °C le faible volume d'eau de la chaudière, la pression correspondante obtenue étant de 5 bars. Cette disposition a pour but d'éviter, lors du fonctionnement normal de la chaudière, le risque d'amorçage et l'apparition d'arcs susceptibles de se former entre les électrodes et les contre-électrodes.

La régulation de la puissance est obtenue par variation du nombre de jets actifs, ce qui, selon les constructeurs, peut être assuré :

• soit par variation du niveau d'eau dans le collecteur à injecteurs par l'intermédiaire d'une vanne-papillon : l'eau prise à la partie inférieure de la cuve de la chaudière par une pompe P est envoyée vers le collecteur à injecteurs C, d'où elle est dirigée par gravité sur la

plaque cible de l’électrode E, établissant, ainsi un courant électrique ; la portion de l'eau qui n’est pas évaporée s’écoule de l’électrode vers la contre-électrode CE établissant de la sorte un autre courant. Le courant électrique passe ainsi des électrodes au corps de la chaudière constituant généralement le point neutre du système électrique. Lorsque la conductivité de l’eau est maximale, la masse d'eau en circulation est convertie en vapeur à raison de 3 % environ. Une vanne-papillon V permet de contrôler la puissance de la chaudière en agissant sur le débit de l'eau atteignant le collecteur & injecteurs ;

• soit par déplacement d’un écran déflecteur de jets. Le réglage de la puissance est ici obtenu par le déplacement d'un tube déflecteur de jets autour de la colonne centrale. Jouant le rôle d’un masque mobile manœuvré à l’aide d’un servomoteur, le tube déflecteur dévie un plus ou moins grand nombre de jets directement vers la cuve. Dans l’un ou l’autre cas, le contrôle de la puissance est continu entre 0 et 100 % de la capacité, ce qui permet à chaque type de chaudière de répondre exactement et presque instantanément aux variations de la demande.

Les chaudières à électrodes plongeantes immergées et à jets multiples présentent de nombreux avantages :

• • tension d'alimentation électrique généralement élevée ; d’où possibilité, si nécessaire, d’éloignement entre le transformateur et la chaudière, du fait des intensités relativement faibles ;
• • encombrement réduit ;
• • régulation de puissance quasi continue entre 0 et 100 % ;
• • variation rapide de puissance (2 % à 100 %) en quelques minutes ;
• • excellents rendements quelle que soit la charge (supérieurs à 96 % en moyenne) ;
• • maintenance réduite...

(à suivre)