Chaudière à cogénération - maaon.free.frmaaon.free.fr/stirling_elec_domestique/dossier.pdf · FS5 1 1 2 3 Classement suite au tableau 1- FS1 : Permettre au consommateur de transformer

Térence Annarelli - Professeur agrégé stagiaire de mécanique Jean-Vincent Cordeau - Professeur agrégé stagiaire de mécanique Gaëtan Rey - Professeur agrégé stagiaire de génie mécanique Yvain Subra - Professeur agrégé stagiaire de génie mécanique

IUFM d’Auvergne – Département technologie

DOSSIER TECHNIQUE

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Chaudière à cogénération

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Formateurs : Jean Donnadieu – Jean-Claude Fricou

Année scolaire 2009-2010

Dossier technique Chaudière à cogénération 2

Sommaire I. Présentation .................................................................................................................. 3

II. Analyse fonctionnelle ..................................................................................................... 4

1. Expression du besoin .............................................................................................. 4

a) Chaudière ............................................................................................................. 4

b) Chaudière à cogénération .................................................................................... 5

2. Diagramme des inter-acteurs de la phase d’utilisation. ........................................... 6

3. Schéma de principe ................................................................................................. 6

4. Schéma d’implantation ............................................................................................ 7

5. Caractérisation des inter-acteurs ............................................................................. 8

6. Caractérisation des fonctions de services ............................................................... 9

7. Hiérarchisation des fonctions de services ..............................................................10

8. FAST ......................................................................................................................11

III. Annexe : définition du PCI et du PCS: .......................................................................14


I. Présentation L’analyse porte sur un produit mis sur le marché: MK5B WhisperGen . Le WhisperGen est un système de production d’eau chaude et de courant électrique convenant aux usages domestiques ou pour de petites industries. Il peut remplacer une chaudière de chauffage central tout en produisant en même temps du courant électrique. C’est une chaudière à cogénération.

C’est actuellement PowerGen E.ON UK, le deuxième fournisseur anglais d’électricité et gaz (8 millions de clients) qui l’installe en Angleterre et qui a acquis l’exclusivité des droits de le commercialiser. 550 foyers de Manchester seront équipés dans le cadre d’un programme de construction d’une société (Lovell).

Le WhisperGen est en cours d’évaluation dans divers autres pays, dont l’Allemagne, la France et les Pays-Bas. Il n’est pas plus gros qu’une machine à laver la vaisselle, ne fait pas plus de bruit qu’un climatiseur. Il n’a pas besoin de lubrification, n’a pas de filtres et ses émissions sont très propres.

Un modèle de WhisperGen en courant alternatif (il existe aussi des modèles en courant continu pour des utilisations sur les bateaux, dans les mobil-homes ou tous les endroits isolés) utilise plus de 90 % de l’énergie du carburant fourni. En plus du courant, il donne 12kW en production d’eau chaude et de chauffage central. Le brûleur spécialement mis au point par WhisperGen permet de fonctionner avec différents gaz domestiques. L’électricité produite peut être utilisée pour la maison ou retourner au réseau ou permet d’avoir des batteries bien chargées dans les endroits isolés.


II. Analyse fonctionnelle

1. Expression du besoin

a) Chaudière

Besoin : La chaudière permet au consommateur de transformer une énergie entrante (le combustible) en énergie calorifique. Pourquoi le produit existe-t-il ? Parce que les consommateurs ont besoin d’avoir chaud. Qu’est ce qui peut faire évoluer le besoin ? Que la température ambiante augmente ou diminue. Qu’est ce qui peut faire disparaitre le besoin ? Disparition du combustible.

Chaudière

ConsommateurEnergie entrante

(combustible)

Transformer en énergie calorifique


b) Chaudière à cogénération

Besoin : La chaudière à cogénération permet au consommateur de transformer une énergie entrante (le combustible) en énergie calorique en limitant son empreinte écologique. Pourquoi le produit existe-t-il ? Parce que les consommateurs ont besoin d’avoir chaud et conscience écologique. Qu’est ce qui peut faire évoluer le besoin ? Que la température ambiante augmente ou diminue. Nouvelles normes environnementales. Qu’est ce qui peut faire disparaitre le besoin ? Disparition du combustible. Disparition de la conscience écologique.

Chaudièreà cogénération

ConsommateurEnergie entrante

(combustible)

Transformer en énergie calorifique en limitant son empreinte écologique


2. Diagramme des inter-acteurs de la phase d’utilisation.

FS1 : Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes FS2 : Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l’environnement FS3 : S’adapter à l’environnement FS4 : S’adapter aux infrastructures existantes FS5 : Respecter les normes en vigueur

3. Schéma de principe


Energies sortantes

Infrastructure

Normes

Environnement

Energie entrante

(combustible)

Consommateur

FS1 FS2

FS3

FS4FS5

Brûleur 1

Brûleur 2

Stirling

Fluide Combustible

Chaleur

Electricité

Chaleur



4. Schéma d’implantation

Vocabulaire : Gas valve : vanne de gaz Burner : brûleur Auxillary burner : brûleur auxiliaire Heat exchanger : échangeur thermique Engine : moteur « Stirling » Generator : générateur électrique Exhaust fan : extracteur de fumées CH flow (Central heating) : départ chauffage central CH return : retour chauffage central La Chaudière fonctionne ainsi: 1. La chambre de combustion place au-dessus du moteur, sur la “source chaude”, contient un brûleur à gaz naturel. 2. La chaleur qui y est produite dilate le gaz contenu dans le moteur (azote), qui actionne alors les pistons du moteur et génère du travail mécanique. 3. Le moteur Stirling entraîne le générateur à courant alternatif, fournissant ainsi de l’électricité au réseau domestique. 4. L’eau de retour du chauffage central passe dans l’échangeur de chaleur où elle est préchauffée par le brûleur auxiliaire, seulement en cas de forte demande de chaleur. 5. Ensuite, cette eau passe au niveau du carter bas du moteur, où elle est réchauffée tout en refroidissant la « source froide » du Stirling. 6. L’eau ainsi chauffée est renvoyée dans le circuit de chauffage.


5. Caractérisation des inter-acteurs Inter-acteurs Caractérisations Valeurs

Consommateur Sexe Logement Intérêts

Indifférent Propriétaire Ecologique et/ou économique

Energie entrante (combustible)

Type Pression nominale en admission Consommation maximale Gaz naturel : Prix PCI Propane : Prix PCI Butane : Prix PCI

Gaz domestique 2H classe2 20 mbar 1.55 m3/h 0.065 €/kWh * 50 MJ/kg 0.097 €/kWh * 46,357 MJ/kg 0.075 €/kWh * 45,752 MJ/kg

Environnement Température ambiante Comburant Humidité relative Types d’air pH de l’eau

Entre 0 et 45°C Entre -15 et 40°C Entre 0 et 95% Continental ou marin Entre 5 et 8

Energies sortantes Puissance thermique Puissance électrique

12 kWh 1 kWh

Infrastructure Support : Charge maximale Tuyauteries chauffage : Raccordement Type Pression maximale Conduit cheminé : Réseau électrique : Tension Intensité Fréquence

200 kq/m2 RP ISO 7/1 Cuivre, acier, PE 3 bars Compatible avec le système d’évacuation / admission d’air Cox Geelen Coxcentric RGE 80/125 220 V 16 A 50 Hz

Normes Réglementation thermique Raccordement gaz er évacuation des produits de combustion Raccordement électrique sur l’installation intérieure

RT 2005 DTU 61-1 NFC 15-100

* Prix au 1 février 2010


6. Caractérisation des fonctions de services Fonctions de services Critères Niveaux Flexibilité

FS1 Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes

Alimentation électrique : Puissance en veille Puissance en fonctionnement Puissance thermique : Brûleur Stirling Brûleur chaudière Mode nominal Chauffage central : Débit Système Pression dans le système Température de l’eau Sortie électrique : Tension Fréquence Puissance électrique utile Nombre de phase Facteur de puissance, cosφ Rendement (PCI)

9 W 100 W 5 kW 7 kW 7 kW 8,5 à 15 l/min Ouvert ou pressurisé 3 bar 85 °C 220 V AC 50Hz 1 kW 1 0.95 94

Maxi Maxi Mini ±3 %

FS2 Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l’environnement.

Diminution des rejets de CO2 -245 g/kWhe

FS3 S’adapter à l’environnement Température d’échappement Condensat Resistance à la corrosion (non visible)

95°C 1,7 l/h 15 ans

Maxi Maxi Mini

FS4 S’adapter à l’infrastructure Nombres d’opérations * Caisse à outil * Temps d’installation +mise en service * Etanchéité

Minimales Chauffagiste 5h -1l/an

±1h Maxi

FS5 Respecter les normes en vigueur.

Installation Bruit Vapeur d’eau Conduit de fumée

AFNOR NF E31 E31-360-1 NF EN 12952-12 NF EN 1443

Flexibilité du produit existant * Phase d’installation et de maintenance


7. Hiérarchisation des fonctions de services

Tableau de valorisation des fonctions

FS1 FS2 FS3 FS4 FS5 Total Classement

FS1 2 3 3 1 9 1

FS2 1 1 1 3 2

FS3 1 1 4

FS4 0 5

FS5 1 1 2 3

Classement suite au tableau 1- FS1 : Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible)

en énergies sortantes 2- FS2 : Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l’environnement 3- FS5 : Respecter les normes en vigueur 4- FS3 : S’adapter à l’environnement 5- FS4 : S’adapter aux infrastructures existantes


8. FAST

FS1

Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes

FT11 Permettre la

combustion

FT111 Gérer la

combustion

FT112 Apporter les réactifs nécessaires

FT1121 Apporter le combustible

FT1111 Contenir la combustion

FT1112 Initier la combustion

FT1114 Stopper la

combustion

FT1122 Apporter le comburant

FT12 Exploiter l’énergie calorifique

FT121 Récupérer l’énergie calorifique

FT122 Transporter l’énergie

calorifique

FT13 Transformer une partie de l’énergie calorifique en électricité

FT131 Transformer l’énergie calorifique en énergie

mécanique

FT132 Transformer l’énergie mécanique en énergie électrique

FT113 Evacuer les produits de combustion

FT1221 Créer la

circulation

FT1222 Garantir la pression de

circulation

FT12221 Mesurer la pression

FT12222 Permettre le remplissage du

réseau

Brûleur

Ventilateur

Vanne gaz

Electrode

d’allumage

Cheminée

Serpentin ou

ailettes

Pompe

Manomètre

Vanne

Moteur Stirling

Génératrice électrique

FT114 Supporter la chaleur de combustion

Choix des

matériaux

FT1113 Surveiller la présence de flamme

Electrode

d’ionisation


FS3 S’adapter à l’environnement

FT31 Résister à la corrosion atmosphérique

FT32 Résister à la corrosion hydraulique

Acier inoxidable

Peinture

Supporter l’eau additionnée d’un inhibiteur

de corrosion

Acier, cuivre

FT34 Résister au froid

Mise en route automatique de la chaudière

FS2 Permettre à l’utilisateur de limiter son empreinte écologique

FT21 Avoir un bon rendement thermique

FT22 Limiter les effluents polluants

FT23 Utiliser un carburant ayant une faible pollution du puits à l’utilisateur

FT24 Offrir une production électrique plus écologique que le réseau

Brûleurs à récupération

Gaz naturel

Réglage des brûleurs à l’installation

Moteur Stirling

FT241 Avoir un bon rendement de transformation thermique-mécanique

FT242 Avoir un bon rendement de transformation mécanique-électrique

Générateur rotatif


FT442 Se connecter en sortie

Roues réglables en hauteur

FS4 S’adapter aux infrastructures

FT41 Etre fixé solidement

FT42 S’adapter au chauffage central

FT46 S’adapter au conduit de cheminée

FT47 S’adapter au réseau électrique

FT45 Recevoir les ordres du programmateur

FT421 Envoyer l’eau dans le circuit de chauffage

FT422 Récupérer l’eau du circuit de chauffage

FT441 Se connecter en entrée

FT423 Se raccorder

FT425 Résister à la pression du réseau

Buse 80/125 Au dos ou sur le

dessus

Plaque de raccordement

centralisée

FT44 S’adapter au réseau de gaz

Dimensionnement

Connecteur J2

Câble d’alimentation secteur

FT43 Se raccorder à l’évacuation des condensats

FT424 Commander la pompe

Sortie électrique vers la pompe


centralisée


centralisée

Matériaux


III. Annexe : définition du PCI et du PCS: L’énergie disponible dans un carburant est caractérisée par deux valeurs :

Le PCS, Pouvoir Calorifique Supérieur, correspond à l’énergie dégagée par la combustion de ce carburant. C’est la quantité maximale d’énergie que l’on peut tirer de la réaction.

Le PCI, Pouvoir Calorifique Inférieur, est l’énergie dégagée par la combustion de ce carburant, sans tenir compte de l’énergie présente dans la vapeur d’eau produite par la réaction (chaleur latente de vaporisation). Le PCI est donc inférieur au PCS.

Le rendement thermodynamique réel est calculé par rapport au PCS, mais les normes françaises et européennes stipulent que les constructeurs doivent annoncer le « rendement sur PCI» de leurs chaudières.

Ceci explique l’apparition de « rendements » supérieurs à 1 : l’énergie réellement disponible correspond au PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur), qui est supérieur au PCI de11% pour le gaz naturel, 9% pour le GPL, 5% pour le charbon.

Chaudière classique : rendement sur PCI de 80 à 90%

Chaudière à condensation : rendement sur PCI de100 à 105%

Chaudière pulsatoire (écoulement turbulent) : jusqu’à 111% avec du gaz naturel, ce qui correspond à un rendement réel proche de 100% Exemple : énergie récupérée par une chaudière à condensation ayant un rendement sur PCI de 105% brûlant 1kg de carburant: PCS (Energie disponible) : 55 500 kJ

PCI : 50 000 kJ

Chaleur latente 5 500 kJ

105% sur PCI

Chaleur récupérée : 52 500 kJ,soit 94,5% de l’énergie disponible Pertes 3 000 kJ

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