Chaudière ou générateur de vapeur ? Lequel de ces deux moyens de production répond-t-il le mieux à mes besoins ?

Mais, dans le langage industriel courant, l'habitude fait que l'on désigne par "chaudière" les générateurs de vapeur à tubes de fumée et par "générateur de vapeur", ou "générateur" tout court, les générateurs à tubes d'eau. Il y a donc deux grandes familles d'équipement de production de vapeur.

L'objet de cette "FAQ" est d'expliquer la différence entre ces deux familles et de mettre en évidence les principaux avantages et inconvénients de celles-ci.

Un générateur de vapeur (au sens large) comporte forcément un (ou plusieurs) brûleurs dont la flamme et les fumées sont mises en contact avec des tubes au travers desquelles la chaleur est transférée vers l'eau alimentaire pour produire de la vapeur. Constructivement, on a donc deux possibilités : soit ce sont la flamme et les fumées qui circulent à l'intérieur des tubes, soit c'est l'eau qui circule dans ceux-ci. Dans le premier cas on parle de "chaudière à vapeur à tubes de fumées", dans le second de "générateur de vapeur à tubes d'eau". Dans les deux cas, les tubes fonctionnent comme ceux d'un échangeur de chaleur gaz - eau (+ vapeur). Il faut bien sûr qu'une chambre de plus grand volume soit réservée au développement de la flamme. Une partie du générateur est donc réservée à la flamme tandis qu'une seconde partie est réservée au prolongement de l'échange thermique entre les fumées et l'eau.

Chaudière à tubes de fumées

Dans une chaudière à tubes de fumée, les gaz de combustion circulent à l'intérieur des tubes tandis que l'eau entoure ceux-ci. L'ensemble est confiné dans une grande virole qui constitue le corps cylindrique de la chaudière. Ces générateurs sont aussi appelés "chaudières à foyer intérieur" ou "chaudière" tout court.

Les coupes ci-dessous permettent de mieux comprendre les principes constructifs d'une chaudière à vapeur :

tandis que la photo ci-dessous montre l'aspect extérieur d'une chaudière :

La gamme de puissance de des chaudières s'étend de 0,2 à 40 ... 50 t/h de vapeur environ. Cela correspond à des puissances thermiques de l'ordre de 100 kW à 30 MW.

On voit qu'un premier "tube" de très gros diamètre constitue la chambre ou le foyer dans lequel se développe la flamme. Ensuite les fumées sont canalisées vers des faisceaux tubulaires pour terminer leur cheminement dans un économiseur éventuel qui assure le préchauffage des fumées par récupération sur l'enthalpie résiduelle des fumées. L'ensemble du "tube foyer" et des faisceaux tubulaires est noyé dans le grand volume d'eau contenu dans la virole externe qui constitue le corps de la chaudière.

La principale caractéristique des chaudières de ce type est donc de comporter un grand volume d'eau sous pression (la même que celle de la vapeur produite) avec pour conséquences premières :

• de présenter une grande inertie thermique (démarrage lent);
• d'être très destructive en cas d'explosion (un gros volume d'eau se transforme instantanément en vapeur).

Comme on le voit ci-dessous, la plupart des avantages et inconvénients des deux familles de générateurs sont précisément liés à cette caractéristique.

Générateur de vapeur

Les "générateurs de vapeur" ne sont rien d'autre que des "chaudières à tubes d'eau". Au contraire des chaudières à tubes de fumées, les générateurs sont construit de telle sorte que ce soit l'eau qui circule à l'intérieur des tubes et non pas les fumées.

Ils existent aussi bien en grande puissance (20 à 150 t/h de vapeur) qu'à faible puissance (0,1 à 20 t/h de vapeur). Pour les grandes puissances, le générateur est constitué d'une grande chambre de combustion plus ou moins parallélépipédique dont les parois sont "tapissées" de faisceaux de tubes d'eau verticaux :

Source : CMI

Dans la petite et moyenne industrie on rencontre plus couramment des générateurs capables de produire jusqu'à une vingtaine de tonne de vapeur par heure. Dans ce cas, le générateur est constitué d'une chambre de combustion cylindrique entourée d'un serpentin d'eau qui débouche sur un séparateur vapeur / eau :

Source : Clayton

La principale caractéristique des générateurs de ce type est donc de comporter un très petit volume d'eau sous pression avec pour conséquences premières :

• de présenter une faible inertie thermique (démarrage rapide);
• de ne présenter quasiment aucun risque d'explosion.

Ces générateurs sont aussi appelés "générateur de vapeur instantané" puisqu'ils ne comportent pas de "réserve d'eau" prête à être vaporisée, et que toute la vapeur produite l'est donc au fil de la circulation de l'eau alimentaire dans le serpentin. Le principe est donc le même que celui d'un boiler d'eau chaude sanitaire comme on en trouve dans nos salles-de-bain ou dans nos cuisines.

Comparaison

Comme déjà mentionné plus haut, la plupart des avantages et inconvénients des deux familles de générateurs (au sens large) sont donc liés à l'importance du volume d'eau maintenu à température et sous pression :

• grand volume pour une chaudière à tubes de fumées;
• très petit volume pour un générateur de vapeur.

On notera que la mise en parallèle d'un générateur de vapeur avec une chaudière à tube de fumée est vivement déconseillée.

Nous donnons ci-après un tableau qui résume les principaux avantages et inconvénients de chacune des deux familles de générateurs de vapeurs (voir page suivante).

Que choisir ?

Le principal avantage des générateurs sur les chaudières est de pouvoir répondre très rapidement à des variations brusques de la demande en vapeur. Par conséquent, ils conviennent mieux à des productions qui s'arrêtent et redémarrent quotidiennement par exemple. Pour le reste, il y a lieu d'examiner point par point ce qui constitue réellement un avantage ou un inconvénient dans le cas spécifique qui se présente. Par exemple, si l'on dispose de peu de place au sol et que celui-ci ne supporte pas une charge importante, le générateur pourrait s'imposer d'office.