Calculateur de rendement du réchauffeur d'air

Le rendement APH ressemble à un simple pourcentage à l’écran ; sur le terrain, il ne se lit pas ainsi. Si la température d’entrée gaz, la température de sortie gaz, la température d’entrée air et la température de sortie air ne proviennent pas du même instant d’exploitation, la valeur obtenue n’est qu’une estimation joliment formatée. Surtout lorsqu’il y a du leakage dans un rotary air preheater, la température de sortie gaz peut tromper au premier regard. Voir une basse température des fumées sur le DCS donne une bonne impression, mais si le côté seal fuit, ce bénéfice reste sur le papier.

De quelle différence de température vient le pourcentage de rendement ?

Un air preheater est un échangeur de chaleur qui rapproche les fumées chaudes et l’air de combustion froid. Le côté gaz se refroidit, le côté air se réchauffe. Le rôle du calculateur est de lire cette variation de température dans deux directions différentes : rendement côté gaz ou rendement côté air.

Le point commun des deux méthodes est la différence de température entre les entrées :

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

Si le gaz entre dans l’APH à 340 °C et l’air à 30 °C, la différence de température disponible est de 310 K. Ici, la différence en Kelvin et en Celsius donne la même grandeur ; ce que vaut 340 - 30, 613,15 - 303,15 le vaut aussi. Le calculateur affiche également cette différence dans le résultat, car c’est la base sur laquelle repose le pourcentage de rendement.

Pour le rendement côté gaz, le calcul est établi ainsi :

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Le rendement côté air regarde quant à lui la température gagnée par l’air :

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Malgré le même dénominateur, les deux résultats ne sont pas obligés d’être identiques. En fait, dans la plupart des données réelles, ils ne le sont pas. Les débits de gaz et d’air ne sont pas égaux, les chaleurs spécifiques sont différentes, la mesure du leakage n’est pas incluse dans ce calcul, et la distribution de température dans le conduit n’est pas toujours uniforme. Il est donc plus juste de considérer le rendement côté gaz et le rendement côté air comme deux lectures distinctes.

Si une note d’ingénierie indique « rendement 80% », il faut aussi ajouter la méthode à côté de cette ligne. Côté gaz ou côté air ? Le même pourcentage peut signifier quelque chose de très différent selon la méthode.

Calcul côté gaz : de combien les fumées se sont-elles refroidies ?

La méthode côté gaz mesure la perte de température des fumées qui traversent l’APH. Si l’entrée gaz est à 340 °C, la sortie gaz à 150 °C et l’entrée air à 30 °C, la formule fonctionne ainsi :

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

Le résultat est de 61,29%.

Ce calcul donne une première lecture assez pratique pour le côté gaz. Si l’APH est encrassé, si les surfaces de basket sont chargées, si l’effet du sootblower s’est affaibli ou si un colmatage commence du côté cold-end, la température de sortie gaz reste élevée. Le gaz ne se refroidit pas suffisamment. Le numérateur de la formule diminue, et le rendement baisse.

Il ne faut toutefois pas regarder la température de sortie gaz de façon trop romantique. Dans un rotary APH, si l’air passe du côté air vers le côté gaz, la sortie gaz mesurée paraît froide. Cela peut donner l’impression que le transfert thermique réel a augmenté. La valeur basse affichée sur le DCS rend bien dans le rapport ; puis lorsque la mesure de leakage arrive sur la table, cette même valeur n’inspire plus autant confiance.

Ce calculateur n’applique pas de correction de leakage. Il ne produit pas non plus de température de sortie gaz no-leakage. Si vous disposez d’une température de sortie gaz brute, le rendement côté gaz est également calculé avec cette donnée de température brute. C’est ainsi qu’il faut l’écrire. Sinon, le pourcentage paraît trop affirmatif.

Le rendement côté gaz est particulièrement utile pour suivre la même unité dans le temps. Hier, la semaine dernière, avant maintenance, après maintenance. Mais pour que la comparaison ait du sens, le point de charge doit être similaire. Si le combustible a changé, si l’excès d’air a bougé ou si le registre du ventilateur est resté ailleurs, il n’est pas facile de mettre deux rendements côte à côte et de conclure. Dans Excel, deux lignes s’alignent ; en exploitation, ce n’est pas le cas.

Prenons un autre exemple plus réaliste : entrée gaz 346,7 °C, sortie gaz 158,4 °C, entrée air 32,1 °C. Le rendement côté gaz est d’environ 59,85%. On n’a pas ici la régularité des exemples arrondis. Sur le terrain, on ne l’a généralement pas non plus.

Calcul côté air : jusqu’où l’air de combustion s’est-il réchauffé ?

La méthode côté air regarde de combien l’APH élève la température de l’air de combustion. Si le calcul est réalisé avec une entrée gaz à 340 °C, une entrée air à 30 °C et une sortie air à 280 °C :

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

Le résultat est de 80,65%.

Avec le même jeu de températures, le côté gaz donnait 61,29% et le côté air 80,65%. Ce n’est pas, à lui seul, un signe de défaut. La chute de température côté gaz est de 190 °C, l’augmentation de température côté air est de 250 °C. Comme le débit et \(C_p\) n’entrent pas dans le calcul, lire ces deux pourcentages comme un bilan énergétique serait une erreur.

Le rendement côté air parle plus directement à quelqu’un qui s’intéresse à la température de l’air allant au brûleur. Si la température de sortie air est basse, cela peut être une situation à suivre côté combustion, en matière de combustible, de stabilité de flamme ou de rendement de chaudière. Mais ici aussi, l’emplacement du capteur intervient. Dans les grands conduits d’air, le mélange n’est pas toujours homogène. Une température mesurée en un seul point peut ne pas représenter l’ensemble du conduit.

La température d’entrée air est influencée par la saison. Un air entrant à 5 °C en hiver et un air entrant à 35 °C en été peuvent donner des pourcentages différents dans le même APH. C’est pourquoi, lors des comparaisons entre mois, il faut se demander : « l’entrée air a changé, mais le rendement est-il resté le même ? » Certains rapports sautent cette distinction. Ensuite, on ne comprend pas pourquoi les valeurs ont bougé.

Dans le calcul côté air, la température de sortie gaz n’apparaît pas dans la formule. Elle est tout de même suivie du coin de l’œil. Si la sortie air paraît bonne alors que la sortie gaz est elle aussi inhabituellement basse, le soupçon de leakage ne disparaît pas. Le fait que l’air se soit bien réchauffé ne signifie pas que l’histoire côté gaz est terminée.

Où les erreurs apparaissent-elles le plus souvent dans les entrées ?

Le calculateur comporte quatre champs de température : entrée gaz, sortie gaz, entrée air, sortie air. Il y a aussi le choix de la méthode. Lorsque le côté gaz est sélectionné, les valeurs d’entrée gaz, de sortie gaz et d’entrée air sont utilisées. Lorsque le côté air est sélectionné, les valeurs d’entrée gaz, d’entrée air et de sortie air passent au premier plan. Dans tous les cas, la différence de température vient de l’écart entre l’entrée gaz et l’entrée air.

L’unité peut être °C, °F ou K. Si la conversion est correcte, le pourcentage ne change pas. L’erreur se trouve plus souvent dans la valeur elle-même : par exemple écrire 340 K au lieu de 340 °C. 340 K correspond à environ 66,85 °C. Le calculateur ne peut pas deviner l’intention de l’utilisateur ; il prend le nombre, fait le calcul et donne le résultat. Ensuite, un pourcentage étrange apparaît dans le rapport.

Le moment de mesure pose autant de problèmes que l’unité. Si l’entrée gaz est la moyenne de 10:00, la sortie air une valeur instantanée de 10:30, et la sortie gaz a été relevée pendant une baisse de charge, le calcul paraît correct, mais les données ne racontent pas la même histoire. À charge stable, une moyenne de 15 à 30 minutes convient mieux à la plupart des contrôles pratiques. Des intervalles plus courts peuvent parfois suffire, surtout pour un contrôle rapide de quart. Pour un rapport de performance, il faut un peu plus de patience.

L’implantation des capteurs doit également être notée. Si le profil de température à l’entrée APH n’est pas uniforme, une seule sonde peut ne pas suffire. S’il existe une stratification à la sortie gaz, une valeur prise dans un coin ne représente pas toute la section. Il y a un problème similaire à la sortie air ; un côté du conduit peut rester plus chaud et l’autre plus froid. La formule ne le sait pas.

Parfois, ce que nous appelons une erreur de calcul est en réalité une erreur de dispositif de mesure.

Ce pourcentage n’est pas un bilan énergétique

Il faut le dire clairement sans trop prolonger : ce calculateur n’utilise ni débit ni chaleur spécifique. Il extrait seulement un rendement côté gaz ou côté air à partir des différences de température. Pas de X-ratio. Pas de correction de leakage. Pas de température no-leakage.

Cela ne signifie pas que le calcul est inutile ; c’est simplement son périmètre.

Si l’on veut calculer la charge thermique, il faut le débit et \(C_p\). Côté air, un gain thermique approximatif se trouve ainsi :

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

Côté gaz, une lecture similaire est effectuée :

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

Ces deux calculs ne sont pas la même chose que le rendement de température. Le rendement côté air peut sortir à 80%, le rendement côté gaz à 61% ; sans connaître les débits, on ne conclut pas à partir de là que « de l’énergie a été perdue » ou que « le calcul est faux ». Aucun bilan énergétique ne peut être établi tant que le débit d’air, le débit de gaz, les chaleurs spécifiques et l’information de leakage ne sont pas dans le tableau.

Dans une chaudière au charbon, l’hypothèse de \(C_p\) du gaz se comporte d’une manière ; avec le gaz naturel, autrement ; avec la biomasse, encore autrement. Taux d’excès d’air, humidité, composition du combustible, charge : tout cela influence le côté gaz. Ce que fait ce calculateur est plus limité : donner un pourcentage rapide de rendement APH à partir de la différence de température.

Lire le résultat sur le terrain

Un faible rendement fait d’abord penser à l’encrassement. Les surfaces de basket peuvent être chargées, le régime de sootblower peut être faible, le lavage de l’APH peut être nécessaire, ou un colmatage peut avoir commencé du côté cold-end. Ce sont des possibilités réelles. Pourtant, ouvrir directement un ordre de maintenance dès que le rendement baisse serait précipité.

Si la température d’entrée gaz est basse, le dénominateur change. Si le débit d’air a augmenté, la sortie air baisse. Si le leakage a augmenté, la sortie gaz peut paraître étrangement bonne. Si le pressure drop a augmenté, le soupçon d’encrassement se renforce. On peut arriver au même pourcentage par des chemins différents ; c’est là le côté inconfortable du calcul APH.

Un rendement élevé n’est pas non plus, à lui seul, un certificat de réussite. Le capteur de sortie air peut lire trop haut. La sonde d’entrée gaz peut se trouver dans une zone chaude. La durée de moyennage peut avoir été trop courte. Une valeur brillante sur le DCS est parfois, sur le terrain, le produit d’un dispositif de mesure faible.

Si une comparaison doit être faite avec une valeur de conception ou d’acceptation, un calcul d’écart peut être utilisé séparément :

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

Si le rendement actuel côté gaz est de 61,29% et la référence de conception de 65%, l’écart est d’environ -5,71%. Cette ligne peut entrer dans le rapport. Si la charge, le combustible, l’excès d’air et l’intervalle de mesure ne sont pas indiqués à côté, elle ne sera pas très convaincante.

À ma place, je mettrais dans le rapport quelques données dures plutôt qu’une longue explication : méthode, quatre températures, charge, pressure drop, et une note de leakage s’il y en a une. Six lignes sont souvent plus utiles que deux paragraphes. Surtout en réunion de maintenance, personne ne lit de longues phrases décoratives ; on regarde d’où vient la valeur.

Courte note pour utiliser l’outil

Commencez par le choix de la méthode. Si le rendement côté gaz est demandé, concentrez-vous sur la température d’entrée gaz, de sortie gaz et d’entrée air. Pour le rendement côté air, la température d’entrée gaz, d’entrée air et de sortie air porte le calcul. La quatrième température reste tout de même à l’écran ; elle est utile pour l’interprétation.

340 °C en entrée gaz, 150 °C en sortie gaz et 30 °C en entrée air donnent 61,29% côté gaz. Avec les mêmes valeurs d’entrée gaz et d’entrée air, si la sortie air est saisie à 280 °C, le côté air donne 80,65%. Ces deux calculs de test suffisent pour vérifier la logique de différence de température de l’outil.

Si les données doivent être saisies avec une autre unité, vérifiez d’abord le choix de l’unité. Si °F et °C sont mélangés, le résultat dévie fortement. En Kelvin aussi, il faut s’assurer que les valeurs absolues sont correctement saisies ; écrire des données sans les convertir simplement parce que « K paraît plus technique » n’est pas une bonne idée.

Il est plus honnête de laisser la dernière ligne ainsi : ne lisez pas le pourcentage obtenu seul, mais avec les tendances au même point de charge. Si la température de sortie gaz, la température de sortie air et le pressure drop indiquent la même direction, le calcul est utile. Si l’un d’eux part ailleurs, commencez par examiner le côté mesure.