La chaleur produite durant la combustion de la biomasse est utilisée pour transformer de l’eau en vapeur et élever la température et la pression de cette vapeur jusqu’à atteindre la pression d’utilisation. La phase de combustion se déroule dans un foyer et celle de vaporisation dans une chaudière. La vapeur produite est injectée dans un moteur alternatif. L’impact de la vapeur et éventuellement sa détente dans le cylindre provoque le déplacement d’un piston selon le même principe que tous les moteurs alternatifs.
Alexandre SILvEIRA, Gustavo PEREIRA, Patrick ROuSSET, Philippe GIRARd
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Caractéristiques du moteur à vapeur développé par PSI
Les moteurs à vapeur présentent l’avantage d’être extrêmement simples de conception et de fonctionnement. Ils sont à l’origine de la révolution industrielle. De plus ils ont des caractéristiques que l’on ne retrouve pas dans les autres types de générateurs.
Dans la pratique on appelle chaudière l’ensemble des équipements et accessoires permettant la conversion de la biomasse en vapeur (Figure 1). Les différentes parties d’une centrale à vapeur sont :
• la chaudière et son foyer, • un circuit vapeur, • le moteur,
• un alternateur qui va convertir l’énergie mécanique développée par la bielle en énergie électrique. À ces éléments il faudra parfois associer un ensemble de conditionnement de la biomasse (broyage par exemple) en fonction de ces caractéristiques initiales.
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C’est le mouvement linaire des pistons (Figure 2), actionnés par les flux de vapeur qui, par le biais d’un arbre à cames et d’un vilebrequin, qui permet de faire tourner l’arbre relié à l’alternateur.
Les moteurs les plus simples fonctionnent sans détente de la vapeur dans le cylindre. Ainsi, par une simple pompe, la vapeur remplit la totalité du cylindre et ne se détend pas, il en résulte des rendements très faibles. Les moteurs plus élaborés utilisent des systèmes d’obturation des cylindres qui limitent l’admission de la vapeur dans le cylindre en début de course du piston et permettent ainsi la détente pendant la période de déplacement du piston.
Le gros avantage du moteur à vapeur réside dans le fait que, pour tous les niveaux de facteurs de charge, le moteur développe le même couple à toutes les vitesses de rotation des moteurs, la consommation de vapeur et la puissance restant proportionnelles à cette vitesse. Pratiquement tous les autres moteurs nécessitent la même fourniture d’énergie pour maintenir un moment constant quand la vitesse varie. De plus, les moteurs à vapeur sont les seuls à avoir une consommation nulle de vapeur à une vitesse nulle alors qu’ils développent un moment identique.
Les moteurs à vapeur que l’on peut encore rencontrer reposent sur deux principes :
• Corliss : Ancienne, mais de conception particulièrement ingénieuse, cette machine est encore assez fréquemment rencontrée en sucrerie de canne. L’espace mort, c’est-à-dire l’espace restant lorsque le piston arrive en bout de course, est très réduit du fait de sa conception. Admission et échappement
Figure 1 : schéma général
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s’effectuent par deux organes distincts limitant les frottements. Par contre ce principe se prête mal aux hautes températures et à la surchauffe. Elle n’est pas indiquée pour les pressions supérieures à 10 bars. • Machine à soupape : Les machines à soupape présentent l’intérêt de se prêter aux températures élevées
et à la surchauffe. La surchauffe permet de stocker plus d’énergie dans la vapeur et donc de meilleurs rendements. La soupape est légère et ne s’use guère.
Elle nécessite par contre une lubrification, mais s’adapte bien aux grandes vitesses (600 t/mn pour 100 t/mn dans le cas de la Corliss). Les hautes pressions d’admission et la surchauffe permettent à ces machines à soupape de fonctionner dans des conditions thermodynamiques plus favorables, qui les rapprochent des turbines à vapeur.
Le tableau 1 ci-contre donne un aperçu des rendements thermodynamiques des moteurs à vapeur comparés aux turbines à vapeur simples.
LEs DIFFERENts typEs DE MOtEuRs A vApEuR
Les moteurs à vapeur disponibles sur le marché se regroupent selon deux grandes conceptions :
Les moteurs verticaux :
Ces moteurs sont de conception modulaire. Chaque module comprend 2, 3 ou 4 cylindres couplés. Les moteurs de ce type sont les plus performants. Ils envoient la vapeur en sortie d’un cylindre pour alimenter en cascade le cylindre voisin. Dans le cas du moteur à double détente, que l’on peut considérer comme l’ancêtre des moteurs actuels, la vapeur dite haute pression qui sort de la chaudière est injectée dans le cylindre haute pression. Le déplacement du piston vers le bas et l’ouverture de la valve d’échappement injectent la vapeur dans un deuxième cylindre basse pression avant d’être elle-même évacuée vers l’atmosphère ou le condensateur. Dans un deuxième temps, de la vapeur haute pression est injectée dans le cylindre haute pression sous le piston (alors en position basse) pour le faire remonter. Le même processus a lieu dans le cylindre à basse pression. De nombreux types de valves ont été développés, le plus classique étant de disposer la valve en entrée et en sortie de vapeur. Le mode de régulation et d’ajustement de l’ouverture de valve influe directement sur la performance des moteurs et leur adaptabilité à différents niveaux de puissance appelée. Il existe peu de constructeurs susceptibles de fabriquer encore ce type de matériel. Ce sont des matériels éprouvés présentant une durée de vie élevée et un coût de maintenance faible. À notre connaissance, Spilling (Photo 1) et PSI (Engetherm au moment de la conception du projet) sont les seuls constructeurs susceptibles de fournir ce type de matériel.
Tableau 1 : Rendements thermodynamiques des moteurs à vapeur
Technologies Rendement
Machine à action directe (sans détente) Corliss
Machine à soupape
0,25 à 0,35 0,60 à 0,70 0,65 à 0,75 Turbine à réaction et à condensation
(0,1 bars) 0,75 à 0,80
Photo 1 : Moteur à vapeur Spilling – 600 kW en RCA
(Source : P. Girard) Photo 2 : Moteur Mernak (Brésil) en fonctionnement
Caractéristiques du moteur à vapeur développé par PSI
Les moteurs horizontaux :
Ces moteurs de type « locomotive » (Photo 2) fonctionnent à relativement faible vitesse (100 à 250 rpm), à faible pression (8 à 10 bar) et sont généralement constitués d’un seul cylindre. De petites unités de 30 à 180 kW étaient fabriquées en Thaïlande jusqu’à récemment. Dans ce cas, le moteur est raccordé en partie haute d’une chaudière à tube de fumées extrêmement simple (un seul passage de fumée sans faisceaux). Deux volants d’inertie sont, de part et d’autre, solidaires du vilebrequin. La vapeur d’échappement est injectée dans la cheminée pour accélérer le tirage naturel. Le rendement de ce type d’installation est de l’ordre de 3 % lorsqu’un combustible humide est utilisé pour atteindre 8 % avec un combustible sec. La pression de fonctionnement est généralement de 10 bars. La consommation de vapeur est élevée (12 à 15 kg/kWh).