Cours de combustion - production de chaleur: introduction

La production et le transport de chaleur est un vaste domaine, et c'est un point important du fonctionnement de nombreux procédés mais également d'installations diverses (centres commerciaux, gares, aéroports, etc...).

Ce chapître ne couvre que certaines parties de la production et du transport de chaleur, notamment la combustion, le chauffage à la vapeur d'eau sous pression, et les fluides thermiques.

La production de chaleur peut être réalisée de différentes manières:

• combustion de solide (feu de cheminée à foyer ouvert, à foyer fermé, chaudières à charbon, à copeaux de bois, incinérateurs)
• combustion de liquide (fuel domestique, fuel industriel, flux procédés divers...)
• combustion de gaz (gaz naturel, propane ou butane détendu, gaz procédé, gaz résiduaire)
• pompe à chaleur
• effet joule dans des résistances électriques
• induction électromagnétique
• etc...

Le transport d'énergie calorifique jusqu'au lieu d'utilisation et surtout son niveau de température est un élément déterminant dans la méthode de production. Pour ce qui concerne les procédés industriels et hormis l'énergie électrique, on distingue essentiellement:

• le transport par chaleur sensible (fluide thermique chauffé à un certain niveau de température sans changement d'état)
• le transport par chaleur latente, essentiellement sous forme de vapeur d'eau, à un niveau de pression adapté au niveau de température choisi.

Dans de nombreux cas, la distance de transport d'énergie sera réduite en produisant la chaleur nécessaire au procédé sur le lieu même de consommation.

Combustion: la combustion est bien souvent le moyen le plus économique pour générer de la chaleur. Elle peut être réalisée avec des combustibles divers solides, liquides ou gazeux, en utilisant de l'air en convection naturelle ou forçée, ou plus rarement de l'oxygène. Cette combustion peut être réalisée dans différents types d'appareils tels une chaudière à eau chaude (type chaudière gaz de maison individuelle), une chaudière à vapeur (distribution de cette vapeur vers les utilisateurs par réseaux de tuyauteires), ou des fours permettant de chauffer directement le produit concerné (alimentation d'un réacteur par exemple, charge d'une colonne...).

Transport de chaleur au moyen de vapeur d'eau: les réseaux vapeur

C'est une des méthodes les plus employées dans l'industrie. Elle consiste à produire de la vapeur d'eau sous pression dans une ou plusieurs chaudières. Cette vapeur est amenée par des tuyauteries calorifugées sur le lieu de consommation. Elle est alors condensée dans des échangeurs (calandres doubles enveloppes, serpentins), opération au cours de laquelle elle restitue sa chaleur latente de vaporisation (ainsi qu'un peu de chaleur sensible). Pour s'adapter aux différents niveaux de températures requis en différents points du procédé, une usine possède généralement plusieurs réseaux de vapeur à des pressions différentes, pemettant un étalement des températures de condensation sur toute la gamme de température requise.

Transport de chaleur par chaleur sensible: les réseaux de fluides thermiques ou fluides caloporteurs

Cette méthode consiste à faire circuler un fluide chaud de la source de chaleur (une chaudière par ex) jusqu'au lieu de consommation (un échangeur). En fonction du niveau de température, on pourra utiliser de l'eau (chauffage central dans une maison individuelle), ou une huile minérale à point d'ébullition élevée.