ISO 13579-1:2013
(Main)Industrial furnaces and associated processing equipment — Method of measuring energy balance and calculating efficiency — Part 1: General methodology
Industrial furnaces and associated processing equipment — Method of measuring energy balance and calculating efficiency — Part 1: General methodology
ISO 13579-1:2013 specifies a general methodology for measuring energy balance and calculating the efficiency of the process involving industrial furnaces and associated processing equipment as designed by furnace manufacturers. This general methodology includes measurement methods, calculations (general calculation) and an energy balance evaluation report. ISO 13579-1:2013 is not applicable to any efficiencies related to the process itself outside of industrial furnaces and associated processing equipment.
Fours industriels et équipements associés — Méthode de mesure du bilan énergétique et de calcul de l'efficacité — Partie 1: Méthode générale
L'ISO 13579-1:2013 spécifie une méthode générale pour mesurer le bilan énergétique et calculer l'efficacité du processus appliqué aux fours industriels et leurs équipements associés conçus par les fabricants de fours. La présente méthode générale comprend les méthodes de mesure, les calculs (calcul général), un rapport d'évaluation du bilan énergétique. L'ISO 13579-1:2013 ne s'applique pas aux rendements liés au processus proprement dit, en dehors des fours industriels et de leurs équipements associés.
General Information
Standards Content (Sample)
FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 13579-1
ISO/TC 244
Industrial furnaces and associated
Secretariat: JISC
processing equipment — Method of
Voting begins on:
measuring energy balance and
2012-09-19
calculating efficiency —
Voting terminates on:
2012-11-19
Part 1:
General methodology
Fours industriels et équipements associés — Méthode de mesure du
bilan énergétique et de calcul de l'efficacité —
Partie 1: Méthode générale
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPORT-
ING DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
©
ISO 2012
NATIONAL REGULATIONS.
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
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This ISO document is a Draft International Standard and is copyright-protected by ISO. Except as permitted
under the applicable laws of the user's country, neither this ISO draft nor any extract from it may be
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ii © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Contents Page
Foreword . v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Terms related to type of energy used in this part of ISO 13579 . 1
4 Symbols used in this part of ISO 13579 . 5
5 Basic principles . 10
5.1 General . 10
5.2 Energy flow diagram . 13
5.3 Process Heating Assessment Survey Tool . 13
6 Basic conditions of measurement and calculation . 14
6.1 State of furnace . 14
6.2 Duration of measurement . 14
6.3 Unit of specific energy consumption . 14
6.4 Reference conditions . 14
6.5 Unit of amount of gas . 14
6.6 Fuel . 14
7 Type of energy evaluated in this part of ISO 13579 and its systematisation . 15
7.1 General . 15
7.2 Energy balance . 15
7.3 Thermal energy balance . 17
7.4 Energy balance of electrical generation . 18
7.5 Recycled energy . 18
8 Measurement method . 18
8.1 General . 18
8.2 Fuel . 19
8.3 Atomization agent . 19
8.4 Combustion air and exhaust gas . 20
8.5 Controlled atmospheric gas . 24
8.6 Products and jigs/fixtures for product handling . 25
8.7 Temperature of furnace surface . 25
8.8 Furnace inner wall temperature . 25
8.9 Inner furnace pressure . 25
8.10 Cooling water . 26
8.11 Electrical auxiliary equipment . 26
8.12 Generation of utilities . 26
8.13 Recycled energy . 26
9 Calculation . 26
9.1 General provisions . 26
9.2 Total energy input . 27
9.3 Total energy output . 30
9.4 Total energy efficiency . 34
10 Energy balance evaluation report . 35
Annex A (informative) Assesment of uncertainty of the total energy efficiency . 37
Annex B (informative) Measurement method concerning regenerative burners . 39
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Annex C (informative) Reference data .40
Annex D (informative) Calculation of moisture content of fuel and air .49
Annex E (informative) Calculations of heat storage of furnace wall, furnace wall temperature
profile and heat loss by furnace wall in serial batch-type furnace process .50
Annex F (informative) Calculation of wall loss and heat loss of discharged blowout from furnace
opening .56
Annex G (informative) Calculation of energy for fluid transfer .60
Annex H (informative) Example of energy balance sheet .63
Bibliography .65
iv © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13579-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 244, Industrial furnaces and associated thermal
processing equipment.
ISO 13579 consists of the following parts, under the general title Industrial furnaces and associated
processing equipment — Method of measuring energy balance and calculating efficiency:
Part 1: General methodology
Part 3: Reheating furnaces for steel
Part 2: Batch-type aluminium melting furnaces
Part 4: Furnaces with protective or reactive atmosphere
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Introduction
Prevention of global warming is a significant issue which needs to be solved on the world scale. For this
purpose, it is necessary not only to reduce energy consumption dramatically, but at the same time also ensure
a convenient and comfortable daily life for everyone.
It is critical to use energy as efficiently as possible to fulfil these requirements.
Although industrial furnaces play an important role in maintaining everyone’s life, on the other hand, they
consume a great amount of energy. In order to tackle the above-mentioned issues, it is important to
establish an International Standard (i.e. the ISO 13579 series), which specifies the energy efficiency of
industrial furnaces in a reasonable manner,
control energy consumption by using the collected measurement data based on ISO 13579 (all parts),
and
improve efficiency.
Furthermore, this part of ISO 13579 can be applied as a fair guideline for utilizing the Clean Development
[24]
Mechanism (CDM), which was developed under the Kyoto Protocol for measures used to prevent global
warming.
All calculations within ISO 13579 (all parts) are based on the location of equipment under reference conditions.
NOTE For equipment intended to be installed above or below sea level, it is expected that the impact of the elevation
be calculated for that location.
vi © ISO 2012 – All rights reserved
FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Industrial furnaces and associated processing equipment —
Method of measuring energy balance and calculating
efficiency —
Part 1:
General methodology
1 Scope
This part of ISO 13579 specifies a general methodology for measuring energy balance and calculating the
efficiency of the process involving industrial furnaces and associated processing equipment as designed by
furnace manufacturers. This general methodology includes:
measurement methods;
calculations (general calculation);
an energy balance evaluation report.
This part of ISO 13579 is not applicable to any efficiencies related to the process itself outside of industrial
furnaces and associated processing equipment (e.g. in a rolling mill process, the reheating furnace is intended
to be the only part covered by this part of ISO 13579).
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13574, Industrial furnaces and associated processing equipment — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13574 and the following apply.
3.1 Terms related to type of energy used in this part of ISO 13579
3.1.1 Total energy input
3.1.1.1
total energy input
E
input
aggregate of measured energy input brought into the area of energy balance, and which is composed of fuel
equivalent energy and other energy input
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
3.1.2 Fuel equivalent energy
3.1.2.1
fuel equivalent energy
E
fe
aggregate of input energy which is composed of calorific value of fuel, calorific value of waste, calorific value
of source gas of atmospheric gas and fuel equivalent energy of electricity
3.1.2.2
calorific value of fuel
E
h,fuel
heat of combustion of fuel which is consumed and used for heating products in the area of energy balance
3.1.2.3
calorific value of waste
E
h,waste
calorific value of waste which is brought to the area of energy balance with products
EXAMPLE Waste oil on aluminium scrap.
3.1.2.4
calorific value of source gas of atmospheric gas
E
fe,atm,cal
calorific value of source gas of atmospheric gas which is used as protective and reactive atmospheres
3.1.2.5
fuel equivalent energy of electricity
E
fe,el
aggregate of fuel equivalent energy of electricity converted from each occurrence of electrical energy
consumptions in the area of energy balance
3.1.3 Other energy input
3.1.3.1
other energy input
E
others
energy that is composed of sensible heat of fuel, sensible heat of combustion air or other oxidant, sensible
heat of atomization agent for liquid fuel, heat of reaction and sensible heat of infiltration air
3.1.3.2
heat of reaction
E
react
heat generated by the oxidation reaction of products in the area of energy balance measurement
EXAMPLE The formation of scale of steel products during the oxidation reaction.
3.1.3.3
sensible heat of infiltration air
E
s,infilt
sensible heat of air that leaks into the furnace through supply/discharge port or gaps in the operating systems
of the furnace
Note 1 to entry This term may be replaced with "sensible heat of false air".
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ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
3.1.4 Total energy output
3.1.4.1
total energy output
E
output
aggregate of measured energy output emitted from or consumed in the area of energy balance, which is
composed of thermal energy output, energy consumed in electrical auxiliary equipment, energy used for
generation of utility and electrical generation loss
3.1.5 Thermal energy output
3.1.5.1
thermal energy output
E
therm,out
aggregate of thermal energy which is emitted from the area of energy balance
Note 1 to entry Thermal energy output is composed of energy defined in 3.1.5.2 to 3.1.5.13.
3.1.5.2
effective energy
E
effect
enthalpy that products gained in the area of energy balance
3.1.5.3
jig loss
E
l,jig
enthalpy that jigs for handling the products gained in the area of energy balance measurement
3.1.5.4
sensible heat of oxidized substance
E
l,oxid
sensible heat of substances which have reacted with oxygen, formed in the thermal process brought out from
the area of energy balance measurement
3.1.5.5
sensible heat of exhaust gas
E
exhaust
sensible heat of expended gas which is emitted from the area of energy balance measurement
3.1.5.6
heat storage loss by batch-type furnace
E
l,storage
sensible heat which a furnace refractory gains within a batch-type furnace operation cycle
3.1.5.7
sensible heat loss of atmospheric gas
E
s,atm
sensible heat which atmospheric gas for thermal processing gains through the area of energy balance
3.1.5.8
wall loss
E
l,wall
thermal energy emitted from the surface of industrial furnaces by radiation and convection
3.1.5.9
heat loss of discharged blowout from furnace opening
E
l,blowout
sensible heat of blowout gas emitted from the furnace opening
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
3.1.5.10
heat loss of radiation from furnace opening
E
l,opening
thermal energy emitted from the furnace opening by radiation
3.1.5.11
heat loss from furnace parts installed through furnace wall
E
l,parts
thermal energy emitted through furnace parts which are installed through furnace wall
EXAMPLE As in the case of a roller hearth furnace.
3.1.5.12
cooling water loss
E
l,cw
thermal energy brought out by cooling water from the area of energy balance measurement
3.1.5.13
other losses
E
l,other
unmeasured thermal energy losses from the area of energy balance
3.1.6 Energy consumed in electrical auxiliary equipment
3.1.6.1
energy consumed in electrical auxiliary equipment
E
aux
energy utilized in electrical auxiliary equipment which is composed of energy consumed in installed electrical
auxiliary equipment and energy used for fluid transfer
3.1.6.2
energy consumed in installed electrical auxiliary equipment
E
aux,installed
aggregate of total energy used in installed electrical auxiliary equipment (e.g. fans, pumps) installed in the
area of energy balance
3.1.6.3
energy used for fluid transfer
E
aux,fluid
aggregate of energy for fluid transfer calculated from the property of the fluid
EXAMPLE For cooling water, fuel, etc.
3.1.7 Energy used for generation of utility
3.1.7.1
utility
service other than fuel and electricity provided to the area of energy balance
EXAMPLE Oxygen, steam and atmospheric gas.
3.1.7.2
energy used for generation of utilities
E
utility
aggregate of energy for the generation of utilities used in the area of energy balance
4 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
3.1.8 Electrical generation loss
3.1.8.1
electrical generation loss
E
l,eg
energy loss in electrical generation which is backcalculated from fuel equivalent energy and total consumed
electrical energy
3.1.9 Thermal energy balance
3.1.9.1
thermal energy input from electrical heating source
heat energy entering the process from an electrical heating source, such as an electrical heater emitted to the
area of energy balance
3.1.9.2
circulating heat
heat that circulates within equipment or system installed in the area of energy balance
3.1.10 Energy balance of electrical generation
3.1.10.1
total consumed electrical energy
E
e,total
aggregate of electrical energy which is consumed in the area of energy balance and equal to the sum of
thermal energy input from electrical heating source, energy consumed in electrical auxiliary equipment and
electrical energy used for the generation of utility
3.1.10.2
electrical energy used for generation of utilities
E
e,utility
aggregate of electrical energy consumed for generation of utilities (e.g. generation of oxygen) used in the area
of energy balance
3.1.11 Recycled energy
3.1.11.1
recycled energy
E
re
energy that is regenerated from the wasted thermal energy from the area of energy balance
EXAMPLE Energy reused in waste gas boiler.
4 Symbols used in this part of ISO 13579
For the purposes of this document, the following symbols apply.
NOTE 1 Tons used are metric tons.
NOTE 2 For the units of volume of gas, see 6.5.
Symbol Meaning Unit
A combustion air volume provided per ton of products m (n)/t
A theoretical volume of combustion air required per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/m (n)
C heat conductivity of hearth material W/mK
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Symbol Meaning Unit
c mean specific heat of atmospheric gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm1 atm1
c mean specific heat of atmospheric gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm2 atm2
c mean specific heat of jigs/fixtures between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j1 j1
c mean specific heat of jigs/fixtures between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j2 j2
c mean specific heat of exhaust gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,E E
c mean specific heat of combustion air between ambient temperature and 273,15 kJ/(m (n)·K)
pm,a
K
c mean specific heat of combustion air between its specified temperature and kJ/(kg·K) or
pm,a1
273,15 K kJ/m (n)·K
c mean specific heat of fuel between its provided temperature and 273,15 K kJ/(kg·K) or
pm,f1
kJ/m (n)·K
c mean specific heat of blowout between T and 273,15K kJ/m (n)·K
pm,gf gf
c mean specific heat of products between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p1 p1
c mean specific heat of products between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p2 p2
c mean specific heat of refractory of each layer kJ/(kg·K)
pm,ri
E energy consumed in electrical auxiliary equipment per ton of products kJ/t
aux
E aggregate of energy used for fluid transfer per ton of products kJ/t
aux,fluid
E energy used for fluid transfer by blowers per ton of products kJ/t
aux,fluid,bl
E energy used for fluid transfer by compressors per ton of products kJ/t
aux,fluid,comp
E energy used for fluid transfer by blowers per ton of products kJ/t
aux,fluid,pump
E aggregate of energy used in installed electrical auxiliary equipment per ton of kJ/t
aux,installed
products
E Electrical energy used for generation of utility per ton of products kJ/t
e,utility
E effective energy per ton of products kJ/t
effect
E sensible heat of exhaust gas per ton of products kJ/t
exhaust
E fuel equivalent energy of electricity per ton of products kJ/t
fe
E calorific value of source gas of atmospheric gas per ton of products kJ/t
fe,atm,cal
E fuel equivalent energy of electricity per ton of products kJ/t
fe,el
E calorific value of fuel per ton of products kJ/t
h,fuel
E calorific value of waste per ton of products kJ/t
h,waste
E total energy input per ton of products kJ/t
input
E heat loss of discharged blowout from furnace opening per ton of products kJ/t
l,blowout
E cooling water loss per ton of products kJ/t
l,cw
E energy loss in electrical generation kJ/t
l,eg
E jig loss per ton of products kJ/t
l,jig
E heat loss of radiation from furnace opening per ton of products kJ/t
l,opening
E other losses per ton of products kJ/t
l,other
E Heat loss from furnace parts installed through furnace wall kJ/t
l,parts
E heat storage loss by batch-type furnace per ton of products kJ/t
l,storage
e heat storage loss by batch-type furnace per 1m2 of furnace wall kJ/m
l,storage
E wall loss per ton of products kJ/t
l,wall
E wall loss from furnace wall and flue per ton of products kJ/t
l,wall,1
E wall loss from hearth per ton of products kJ/t
l,wall,2
6 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Symbol Meaning Unit
E other energy input per ton of products kJ/t
others
E total energy output per ton of products kJ/t
output
E sensible heat (or enthalpy) of products at the time when products are loaded in kJ/t
p1
the area of energy balance per ton of products
E sensible heat (or enthalpy) of products at the time when products are extracted kJ/t
p2
from the area of energy balance per ton of products
E heat of reaction per ton of products kJ/t
react
E sensible heat of combustion air or other oxydant per ton of products kJ/t
s,air
E sensible heat loss of atmospheric gas per ton of products kJ/t
s,atm
E sensible heat of atomization agent per ton of products kJ/t
s,atomize
E sensible heat of fuel per ton of products kJ/t
s,fuel
E sensible heat of infiltration air per ton of products kJ/t
s,infilt
E sensible heat of oxidized substance per ton of products kJ/t
s,oxid
E thermal (output) energy per ton of products kJ/t
therm,out
E energy used for generation of utilities per ton of products kJ/t
utility
E energy used for generation of atmospheric gas per ton of products kJ/t
u,atm,gen
E calorific value of source gas of atmospheric gas per ton of products kJ/t
u,atm,cal
E energy for generation of oxygen per ton of products kJ/t
u,oxy
E energy for generation of steam per ton of products kJ/t
u,steam
G theoretical volume of exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/m (n)
G' theoretical volume of dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/ m (n)
H net pump head of pump M
d
H net calorific value of component j of gaseous fuel kJ/m (n)
j
H gross calorific value per unit quantity of fuel J/kg or kJ/m3(n)
h
H net calorific value per unit quantity of fuel J/kg or kJ/ m3(n)
l
H net calorific value of source gas kJ/m (n)
l,source gas
2 2
H heat storage of multilayer furnace refractory per 1m kJ/m
wall
h convection heat transfer coefficient W/m K
c0
h enthalpy of atomization agent at reference temperature kJ/kg
k heat conductivity of furnace parts of furnace installed through furnace wall W/mK
parts
L theoretical power of compressor kW
th
l l l thickness of each refractory layer M
1, 2, 3
l inner dimension between sidewalls of furnace M
iw
l thickness of furnace wall M
w
M mass of jigs/fixtures used per ton of products kg/t
j
M loss of mass per ton of products kg/t
loss
M mass of products kg or t
p
m excess combustion air ratio —
P absolute pressure of fluid at the inlet of furnace MPa
d
P static pressure at the inlet kPa
h
P absolute pressure of atmosphere MPa
s
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Symbol Meaning Unit
P saturated water vapour pressure Pa
sf
P absolute pressure of fuel/air Pa
f
p static pressure of fluid measured at the inlet of furnaces kPa
h
difference of pressure at openings Pa
po
Q power of blower kW
blower
Q power of pump kW
pumps
Q power of compressor kW
comp
Q electrical power consumed in each of installed electrical auxiliary equipment kW
aux,installed
measured per ton of products
Q electrical power used for fluid transfer per ton of products kW
aux,fluid
q heat flux by convection W/m
c
q energy flux emitted from the furnace surface W/m
e
q heat energy loss from hearth W/m
h
q heat flux by radiation W/m
r
q energy flux through the furnace refractory W/m
t
R flow rate of fluid at the condition of atmosphere m (n)/min
f
R latent heat of water vapour kJ/kg
r flow rate of fluid measured at the inlet of furnaces m /min
f
S surface area of furnace m
surface
S surface area of furnace hearth m
hearth
S area of openings m
opening
S cross-sectional area of furnace parts installed through furnace wall m
parts
T ambient temperature K
a
T temperature of combustion air provided K
a1
T temperature of atmospheric gas provided K
atm1
T temperature of atmospheric gas discharged K
atm2
T maximum temperature of exhaust gas from regenerative burners in a single K
E,max,i
cycle
T minimum temperature of exhaust gas from regenerative burners in a single K
E,min
cycle
T temperature of mean exhaust gas K
E
T temperature of fuel provided K
f1
T temperature of blowout K
gf
T temperature of hearth surface K
h
T temperature of jigs/fixtures at the time of loading to the area of energy balance K
j1
T temperature of jigs/fixtures at the time of extracting from the area of the energy K
j2
balance
T average temperature of products at the time of loading to the area of energy K
p1
balance
average temperature of products at the time of extracting from the area of the K
T
p2
energy balance
T temperature of furnace wall surface K
w
T cooling water temperature at its discharge port K
water out
8 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Symbol Meaning Unit
T cooling water temperature at is supply port K
water in
T temperature of inside furnace K
z
t time of opening (e.g. charge/discharge door) per ton of products h/t
open
t time required to process one ton of product h/t
p
T T boundary temperature of refractory K
r1, r2
U mean velocity of fluid measured at the supplying point m/s
V volume of atmospheric gas provided per ton of products m (n)/t
atm
V mass of atomization agent provided per ton of products kg/t
atomize
V quantity of cooling water used per ton of products kg/t
cw
V fuel consumption per ton of products kg/t
f
m3(n)/t
V volume of blowout per hour m /h
gf
V infiltration air volume provided per ton of products m (n)/t
infilt
V measured combustion air volume per ton of products m (n)/t
me
V amount of oxygen used per ton of products m (n)/t
oxy
V volume of source gas of atmospheric gas used per ton of products m (n)/t
source gas
x volume fraction of component j of gaseous fuel —
j
z depth from the water surface m
volume fraction of hydrogen contained in gaseous fuel —
H2
volume fraction of nitrogen contained in gaseous fuel —
N2
volume fraction of oxygen contained in gaseous fuel —
O2
volume fraction of water contained in gaseous fuel —
H2O
volume fraction of carbon monoxide contained in gaseous fuel —
CO
volume fraction of carbon dioxide contained in gaseous fuel —
CO2
volume fraction of carbon hydrate contained in gaseous fuel —
CxHy
volume fraction of hydrogen sulphide contained in gaseous fuel —
H2S
w mass fraction of carbon contained in liquid fuel —
C
w mass fraction of hydrogen contained in liquid fuel —
H
w mass fraction of oxygen contained in liquid fuel —
O
w mass fraction of sulfur contained in liquid fuel —
S
w mass fraction of water contained in liquid fuel —
W
volume fraction of nitrogen contained in the combustion air —
(N2)
volume fraction of oxygen contained in the combustion air —
(O2)
volume fraction of water contained in combustion air —
(H2O)
volume fraction of nitrogen contained in dry exhaust gas —
[N2]
volume fraction of oxygen contained in dry exhaust gas —
[O2]
volume fraction of carbon monoxide contained in dry exhaust gas —
[CO]
volume fraction of carbon dioxide contained in dry exhaust gas —
[CO2]
maximum volume fraction of carbon dioxide contained in exhaust gas —
[CO2]max
volume fraction of nitrogen contained in exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/m (n) fuel
volume fraction of oxygen contained in dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/m (n) fuel
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Symbol Meaning Unit
volume fraction of water contained in dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of carbon dioxide contained in dry exhaust gas per unit quantity m (n)/kg fuel or
3 3
of fuel m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of sulfur dioxide contained in dry exhaust gas per unit quantity m (n)/kg fuel or
3 3
of fuel m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of hydrogen sulfide contained in dry exhaust gas per unit m (n)/kg fuel or
3 3
quantity of fuel m (n)/ m (n) fuel
coefficient of friction —
f
coefficient determined by the shape of hearth —
hearth
tolerance of machinery —
m
coefficient determined from the shape of openings —
opening
energy consumption rate for production per 1 normal cubic metre of oxygen kWh/m (n)
oxy
emissivity of furnace surface —
coefficient of determined from the shape of furnace openings —
total energy efficiency —
overall adiabatic efficiency of compressor —
c
regional electrical generation efficiency —
e
efficiency of pump —
p
overall adiabatic efficiency of compressor —
t
static pressure efficiency of blower —
s
ratio of specific heat of fluid —
heat conductivity of furnace refractory W/mK
, , density of each refractory layer kg/m
1 2 3
density of fluid kg/m
f
2 4
Stephen-Boltzmann constant kJ/m h K
relative humidity —
f
5 Basic principles
5.1 General
The area of energy balance measurement shall be determined.
NOTE An example of determination of the area of energy balance measurement is shown in Figure 1.
The following aspects shall be included in the energy balance measurement:
a) energy input;
fuel equivalent energy, E ;
fe
other energy input, E ;
others
b) energy output:
thermal energy output, E ;
therm,out
10 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
energy consumed in electrical auxiliary equipment, E ;
aux
energy used for generation of utilities, E ;
utilities
electrical generation loss, E .
l,eg
Determine the energy input and energy output which goes into and comes out of the area of energy balance,
based on the measurement data.
The total energy input into the area shall balance the total energy output from the area.
The result of the energy balance measurement shall be summarized into energy input and energy output in an
energy balance sheet with necessary information, such as equipment summary, measurement condition and
measurement data.
Thermal energy balance and electrical generation may be created as subcategories (see 7.3 and 7.4).
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
Key
1 area of energy balance
2 furnace chamber
3 burner
4 heat exchanger
5 electrical generation
6 electrical auxiliary equipment
7 generation of utilities
8 electrical heating
a
Calorific value, E , and sensible heat of fuel, E .
h,fuel s,fuel
b
Sensible heat of combustion air, E .
s,air
c
Sensible heat of exhaust gas, E .
exhaust
d
Thermal energy input, such as heat of reaction, E , and sensible heat of infiltration air, E .
react s,infilt
e
Thermal energy output, such as effective energy, E , and heat losses.
effect
f
Circulating heat plus sensible heat of combustion air.
g
Thermal energy input from electrical heating sources.
h
Fuel equivalent energy of electricity, E .
fe,el
I
Electrical generation loss, E .
l,eg
j
Electrical energy consumption in electrical auxiliary equipment, E .
aux
k
Electrical energy consumption for generation of utilities, E .
u,atm,gen
Figure 1 — Example of determination of the area of energy balance measurement
12 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
5.2 Energy flow diagram
The energy flow diagram is a useful tool to represent input and output energy flow (see Figure 2).
NOTE An energy flow diagram is also known as a Sankey diagram.
Figure 2 — Example of energy flow diagram (Sankey diagram) of industrial furnace
5.3 Process Heating Assessment Survey Tool
Developed by the U.S. Department of Energy, the software Process Heating Assessment and Survey Tool
[25]
(PHAST) provides an introduction to process heating methods and tools to improve thermal efficiency of
heating equipment. The tool is used to survey process heating equipment that uses fuel, steam or electricity,
and identify the most energy-intensive equipment. Users may also perform an energy (heat) balance on
selected equipment (furnaces) to identify and reduce non-productive energy use, compare performance of the
furnace under various operating conditions and test "what-if" scenarios.
The thermal energy calculation function may be used as a tool which supplements the calculation specified in
this part of ISO 13579, such as:
sensible heat of material (effective energy);
jig loss:
calculations related to combustion;
sensible heat of atmospheric gas;
wall loss;
heat loss of radiation from furnace opening;
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
cooling water loss;
exhaust gas losses.
6 Basic conditions of measurement and calculation
6.1 State of furnace
Furnaces subject to measurement shall be operated under normal conditions and
in the case of continuous furnaces, the temperature and throughput shall be in the steady state
considered in the design calculation, and
in the case of batch-type furnaces, the temperature cycle and throughput shall be as considered in the
design calculation.
Normal operating conditions are generally based on nominal conditions stipulated in the specification. But in
the case of no specified condition, it may defined by the supplier, e.g. two thirds of design throughput.
6.2 Duration of measurement
In the case of continuous furnaces, the duration of the energy balance measurement should be at least twice
as long as the time the products stay in the furnace chamber.
In the case of batch-type furnaces, calculations shall be performed for each batch.
6.3 Unit of specific energy consumption
The basic unit of specific energy consumption shall be one kilo joule per ton (i.e. 1 000 kg) (kJ/t) of product,
unless otherwise specified.
6.4 Reference conditions
The reference conditions shall be 0 °C (273,15 K) and 101 325 Pa, unless otherwise specified.
6.5 Unit of amount of gas
The values of amount of gas represented in this part of ISO 13579 shall be expressed in terms of volume
under the reference conditions specified in 6.4, unless otherwise specified.
The unit of volume under the reference conditions shall be expressed in normal cubic metres [m (n)], unless
otherwise specified.
NOTE 2,24 × 10 normal cubic metres is equivalent to 1 mol.
6.6 Fuel
The unit quantity of fuel is
1 kg in the case of liquid fuel, or
one normal cubic metre [1 m (n)] in the case of gaseous fuel.
In this part of ISO 13579, net calorific value of fuel is used as a calorific value.
14 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
7 Type of energy evaluated in this part of ISO 13579 and its systematisation
7.1 General
The energy evaluated in this part of ISO 13579 and their symbols are defined in Clause 3.
All energy shall be expressed in kilojoules per ton of product (kJ/t), unless otherwise specified.
7.2 Energy balance
Systematization of energy evaluated in this part of ISO 13579 is described in Table 1.
Table 1 — Systematization of type of energy evaluated in this part of ISO 13579 —
Overall energy balance
Type of energy
Total energy Intermediate
Detailed item
input/output category
Calorific value of fuel, E
h,fuel
Calorific value of waste, E
h,waste
Fuel equivalent
energy, E
fe
Calorific value of source gas of atmospheric gas, E
fe,atm,cal
Fuel equivalent energy of electricity, E
fe,el
Total energy
Sensible heat of fuel, E
s,fuel
input, E
input
Sensible heat of combustion air, E
s,air
Other energy
Sensible heat of atomization agent, E
s,atomize
input, E
others
Heat of reaction, E
react
Sensible heat of infiltration air, E
s,infilt
Effective energy, E
effect
Jig loss, E
l,jig
Sensible heat of oxidized substance, E
s,oxid
Sensible heat of exhaust gas, E
exhaust
Heat storage loss by batch-type furnace, E
l,storage
Sensible heat loss of atmospheric gas, E
s,atm
Thermal energy,
E
therm,out
Wall loss, E
l,wall
Heat loss of discharged blowout from furnace opening, E
l,blowout
Heat loss of radiation from furnace opening, E
l,opening
Heat loss from furnace parts installed through furnace wall, E
l,parts
Total energy
Cooling water loss, E
l,cw
output, E
output
Other losses, E
l,other
Energy consumed in installed electrical auxiliary equipment, E ,
aux,installed
Electrical
blowers, etc.
auxiliary
Energy used for fluid transfer, E ,
aux,fluid
equipment, E
aux
cooling water, etc.
Oxygen, E
u,oxy
Steam, E
u,steam
Generation of
utilities, E
utility
energy for generation, E
u,atm,gen
Atmospheric gas
calorific value of source gas, E
u,atm,cal
Electrical generation loss, E
l,eg
ISO/FDIS 13579-1:2012(E)
7.2.1 Total energy input
See 3.1.1.
7.2.2 Fuel equivalent energy
See 3.1.2.
The calorific value of source gas of atmospheric gas, E , shall be added as energy input even though the
fe,atm,cal
atmospheric gas is emitted from the furnace in an unburned state.
Regional electrical generation efficiency shall be applied to the convention of fuel equivalent energy of
electricity, E .
fe,el
7.2.3 Other energy input
See 3.1.3.
7.2.4 Total energy output
See 3.1.4.
7.2.5 Thermal energy output
See 3.1.5.
7.2.6 Energy consumed in electrical auxiliary equipment
See 3.1.6.
If part of the energy consumed in electrical auxiliary equipment, E , is used as thermal energy in the
aux,installed
heating process, the thermal energy shall be subtracted from the total energy consumed in the installed
electrical auxiliary equipment.
Energy used for fluid transfer, E , shall be applied when energy consumed in auxiliary electrical
aux,fluid
equipment for fluid transfer, such as a pump, cannot be determined from the measurement of electrical energy
supplied to the equipment (e.g. cooling water supplied from the factory facilities).
7.2.7 Energy used for generation of utility
See 3.1.7.
Energy used for generation of utilities, E , other than oxygen, steam and atmospheric gas for heat treatment
utility
may be excluded.
Energy for generation of atmospheric gas for heat treatment shall include calorific value of source gas, E ,
u,atm,cal
and the energy for generation of the atmospheric gas, E .
u,atm,gen
7.2.8 Electrical generation loss
See 3.1.8.
16 © ISO 2012 – All rights reserved
ISO/FDIS 13579-1
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13579-1
First edition
2013-01-15
Industrial furnaces and associated
processing equipment — Method of
measuring energy balance and
calculating efficiency —
Part 1:
General methodology
Fours industriels et équipements associés — Méthode de mesure du
bilan énergétique et de calcul de l'efficacité —
Partie 1: Méthode générale
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from either ISO at the address below or
ISO's member body in the country of the requester.
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
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Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
Contents Page
Foreword . v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Terms related to type of energy used in this part of ISO 13579 . 1
4 Symbols used in this part of ISO 13579 . 5
5 Basic principles . 10
5.1 General . 10
5.2 Energy flow diagram . 13
5.3 Process Heating Assessment Survey Tool . 13
6 Basic conditions of measurement and calculation . 14
6.1 State of furnace . 14
6.2 Duration of measurement . 14
6.3 Unit of specific energy consumption . 14
6.4 Reference conditions . 14
6.5 Unit of amount of gas . 14
6.6 Fuel . 14
7 Type of energy evaluated in this part of ISO 13579 and its systematization . 15
7.1 General . 15
7.2 Energy balance . 15
7.3 Thermal energy balance . 17
7.4 Energy balance of electrical generation . 18
7.5 Recycled energy . 18
8 Measurement method . 18
8.1 General . 18
8.2 Fuel . 19
8.3 Atomization agent . 19
8.4 Combustion air and exhaust gas . 20
8.5 Controlled atmospheric gas . 24
8.6 Products and jigs/fixtures for product handling . 25
8.7 Temperature of furnace surface . 25
8.8 Furnace inner wall temperature . 25
8.9 Inner furnace pressure . 26
8.10 Cooling water . 26
8.11 Electrical auxiliary equipment . 26
8.12 Generation of utilities . 26
8.13 Recycled energy . 26
9 Calculation . 26
9.1 General provisions . 26
9.2 Total energy input . 27
9.3 Total energy output . 30
9.4 Total energy efficiency . 35
10 Energy balance evaluation report . 36
Annex A (informative) Assesment of uncertainty of the total energy efficiency . 37
Annex B (informative) Measurement method concerning regenerative burners . 39
Annex C (informative) Reference data .40
Annex D (informative) Calculation of moisture content of fuel and air .49
Annex E (informative) Calculations of heat storage of furnace wall, furnace wall temperature
profile and heat loss by furnace wall in serial batch-type furnace process .50
Annex F (informative) Calculation of wall loss and heat loss of discharged blowout from furnace
opening .56
Annex G (informative) Calculation of energy for fluid transfer .60
Annex H (informative) Example of energy balance sheet .63
Bibliography .65
iv © ISO 2013 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13579-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 244, Industrial furnaces and associated thermal
processing equipment.
ISO 13579 consists of the following parts, under the general title Industrial furnaces and associated
processing equipment — Method of measuring energy balance and calculating efficiency:
Part 1: General methodology
Part 3: Reheating furnaces for steel
Part 2: Batch-type aluminium melting furnaces
Part 4: Furnaces with protective or reactive atmosphere
Introduction
Prevention of global warming is a significant issue which needs to be solved on the world scale. For this
purpose, it is necessary not only to reduce energy consumption dramatically, but at the same time also ensure
a convenient and comfortable daily life for everyone.
It is critical to use energy as efficiently as possible to fulfil these requirements.
Although industrial furnaces play an important role in maintaining everyone’s life, on the other hand, they
consume a great amount of energy. In order to tackle the above-mentioned issues, it is important to
establish an International Standard (i.e. the ISO 13579 series), which specifies the energy efficiency of
industrial furnaces in a reasonable manner,
control energy consumption by using the collected measurement data based on ISO 13579 (all parts),
and
improve efficiency.
Furthermore, this part of ISO 13579 can be applied as a fair guideline for utilizing the Clean Development
[24]
Mechanism (CDM), which was developed under the Kyoto Protocol for measures used to prevent global
warming.
All calculations within ISO 13579 (all parts) are based on the location of equipment under reference conditions.
NOTE For equipment intended to be installed above or below sea level, it is expected that the impact of the elevation
be calculated for that location.
vi © ISO 2013 – All rights reserved
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13579-1:2013(E)
Industrial furnaces and associated processing equipment —
Method of measuring energy balance and calculating
efficiency —
Part 1:
General methodology
1 Scope
This part of ISO 13579 specifies a general methodology for measuring energy balance and calculating the
efficiency of the process involving industrial furnaces and associated processing equipment as designed by
furnace manufacturers. This general methodology includes:
measurement methods;
calculations (general calculation);
an energy balance evaluation report.
This part of ISO 13579 is not applicable to any efficiencies related to the process itself outside of industrial
furnaces and associated processing equipment (e.g. in a rolling mill process, the reheating furnace is intended
to be the only part covered by this part of ISO 13579).
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13574, Industrial furnaces and associated processing equipment — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13574 and the following apply.
3.1 Terms related to type of energy used in this part of ISO 13579
3.1.1 Total energy input
3.1.1.1
total energy input
E
input
aggregate of measured energy input brought into the area of energy balance, and which is composed of fuel
equivalent energy and other energy input
3.1.2 Fuel equivalent energy
3.1.2.1
fuel equivalent energy
E
fe
aggregate of input energy which is composed of calorific value of fuel, calorific value of waste, calorific value
of source gas of atmospheric gas and fuel equivalent energy of electricity
3.1.2.2
calorific value of fuel
E
h,fuel
heat of combustion of fuel which is consumed and used for heating products in the area of energy balance
3.1.2.3
calorific value of waste
E
h,waste
calorific value of waste which is brought to the area of energy balance with products
EXAMPLE Waste oil on aluminium scrap.
3.1.2.4
calorific value of source gas of atmospheric gas
E
fe,atm,cal
calorific value of source gas of atmospheric gas which is used as protective and reactive atmospheres
3.1.2.5
fuel equivalent energy of electricity
E
fe,el
aggregate of fuel equivalent energy of electricity converted from each occurrence of electrical energy
consumptions in the area of energy balance
3.1.3 Other energy input
3.1.3.1
other energy input
E
others
energy that is composed of sensible heat of fuel, sensible heat of combustion air or other oxidant, sensible
heat of atomization agent for liquid fuel, heat of reaction and sensible heat of infiltration air
3.1.3.2
heat of reaction
E
react
heat generated by the oxidation reaction of products in the area of energy balance measurement
EXAMPLE The formation of scale of steel products during the oxidation reaction.
3.1.3.3
sensible heat of infiltration air
E
s,infilt
sensible heat of air that leaks into the furnace through supply/discharge port or gaps in the operating systems
of the furnace
Note 1 to entry This term may be replaced with "sensible heat of false air".
2 © ISO 2013 – All rights reserved
3.1.4 Total energy output
3.1.4.1
total energy output
E
output
aggregate of measured energy output emitted from or consumed in the area of energy balance, which is
composed of thermal energy output, energy consumed in electrical auxiliary equipment, energy used for
generation of utility and electrical generation loss
3.1.5 Thermal energy output
3.1.5.1
thermal energy output
E
therm,out
aggregate of thermal energy which is emitted from the area of energy balance
Note 1 to entry Thermal energy output is composed of energy defined in 3.1.5.2 to 3.1.5.13.
3.1.5.2
effective energy
E
effect
enthalpy that products gained in the area of energy balance
3.1.5.3
jig loss
E
l,jig
enthalpy that jigs for handling the products gained in the area of energy balance measurement
3.1.5.4
sensible heat of oxidized substance
E
l,oxid
sensible heat of substances which have reacted with oxygen, formed in the thermal process brought out from
the area of energy balance measurement
3.1.5.5
sensible heat of exhaust gas
E
exhaust
sensible heat of expended gas which is emitted from the area of energy balance measurement
3.1.5.6
heat storage loss by batch-type furnace
E
l,storage
sensible heat which a furnace refractory gains within a batch-type furnace operation cycle
3.1.5.7
sensible heat loss of atmospheric gas
E
s,atm
sensible heat which atmospheric gas for thermal processing gains through the area of energy balance
3.1.5.8
wall loss
E
l,wall
thermal energy emitted from the surface of industrial furnaces by radiation and convection
3.1.5.9
heat loss of discharged blowout from furnace opening
E
l,blowout
sensible heat of blowout gas emitted from the furnace opening
3.1.5.10
heat loss of radiation from furnace opening
E
l,opening
thermal energy emitted from the furnace opening by radiation
3.1.5.11
heat loss from furnace parts installed through furnace wall
E
l,parts
thermal energy emitted through furnace parts which are installed through furnace wall
EXAMPLE As in the case of a roller hearth furnace.
3.1.5.12
cooling water loss
E
l,cw
thermal energy brought out by cooling water from the area of energy balance measurement
3.1.5.13
other losses
E
l,other
unmeasured thermal energy losses from the area of energy balance
3.1.6 Energy consumed in electrical auxiliary equipment
3.1.6.1
energy consumed in electrical auxiliary equipment
E
aux
energy utilized in electrical auxiliary equipment which is composed of energy consumed in installed electrical
auxiliary equipment and energy used for fluid transfer
3.1.6.2
energy consumed in installed electrical auxiliary equipment
E
aux,installed
aggregate of total energy used in installed electrical auxiliary equipment (e.g. fans, pumps) installed in the
area of energy balance
3.1.6.3
energy used for fluid transfer
E
aux,fluid
aggregate of energy for fluid transfer calculated from the property of the fluid
EXAMPLE For cooling water, fuel, etc.
3.1.7 Energy used for generation of utility
3.1.7.1
utility
service other than fuel and electricity provided to the area of energy balance
EXAMPLE Oxygen, steam and atmospheric gas.
3.1.7.2
energy used for generation of utilities
E
utility
aggregate of energy for the generation of utilities used in the area of energy balance
4 © ISO 2013 – All rights reserved
3.1.8 Electrical generation loss
3.1.8.1
electrical generation loss
E
l,eg
energy loss in electrical generation which is backcalculated from fuel equivalent energy and total consumed
electrical energy
3.1.9 Thermal energy balance
3.1.9.1
thermal energy input from electrical heating source
heat energy entering the process from an electrical heating source, such as an electrical heater emitted to the
area of energy balance
3.1.9.2
circulating heat
heat that circulates within equipment or system installed in the area of energy balance
3.1.10 Energy balance of electrical generation
3.1.10.1
total consumed electrical energy
E
e,total
aggregate of electrical energy which is consumed in the area of energy balance and equal to the sum of
thermal energy input from electrical heating source, energy consumed in electrical auxiliary equipment and
electrical energy used for the generation of utility
3.1.10.2
electrical energy used for generation of utilities
E
e,utility
aggregate of electrical energy consumed for generation of utilities (e.g. generation of oxygen) used in the area
of energy balance
3.1.11 Recycled energy
3.1.11.1
recycled energy
E
re
energy that is regenerated from the wasted thermal energy from the area of energy balance
EXAMPLE Energy reused in waste gas boiler.
4 Symbols used in this part of ISO 13579
For the purposes of this document, the following symbols apply.
NOTE 1 Tons used are metric tons.
NOTE 2 For the units of volume of gas, see 6.5.
Symbol Meaning Unit
A combustion air volume provided per ton of products m (n)/t
A theoretical volume of combustion air required per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/m (n)
C heat conductivity of hearth material W/mK
Symbol Meaning Unit
c mean specific heat of atmospheric gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm1 atm1
c mean specific heat of atmospheric gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm2 atm2
c mean specific heat of jigs/fixtures between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j1 j1
c mean specific heat of jigs/fixtures between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j2 j2
c mean specific heat of exhaust gas between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,E E
c mean specific heat of combustion air between ambient temperature and 273,15 kJ/(m (n)·K)
pm,a
K
c mean specific heat of combustion air between its specified temperature and kJ/(kg·K) or
pm,a1
273,15 K kJ/m (n)·K
c mean specific heat of fuel between its provided temperature and 273,15 K kJ/(kg·K) or
pm,f1
kJ/m (n)·K
c mean specific heat of blowout between T and 273,15K kJ/m (n)·K
pm,gf gf
c mean specific heat of products between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p1 p1
c mean specific heat of products between T and 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p2 p2
c mean specific heat of refractory of each layer kJ/(kg·K)
pm,ri
E energy consumed in electrical auxiliary equipment per ton of products kJ/t
aux
E aggregate of energy used for fluid transfer per ton of products kJ/t
aux,fluid
E energy used for fluid transfer by blowers per ton of products kJ/t
aux,fluid,bl
E energy used for fluid transfer by compressors per ton of products kJ/t
aux,fluid,comp
E energy used for fluid transfer by blowers per ton of products kJ/t
aux,fluid,pump
E aggregate of energy used in installed electrical auxiliary equipment per ton of kJ/t
aux,installed
products
E Electrical energy used for generation of utility per ton of products kJ/t
e,utility
E effective energy per ton of products kJ/t
effect
E sensible heat of exhaust gas per ton of products kJ/t
exhaust
E fuel equivalent energy of electricity per ton of products kJ/t
fe
E calorific value of source gas of atmospheric gas per ton of products kJ/t
fe,atm,cal
E fuel equivalent energy per ton of products kJ/t
fe,el
E calorific value of fuel per ton of products kJ/t
h,fuel
E calorific value of waste per ton of products kJ/t
h,waste
E total energy input per ton of products kJ/t
input
E heat loss of discharged blowout from furnace opening per ton of products kJ/t
l,blowout
E cooling water loss per ton of products kJ/t
l,cw
E energy loss in electrical generation kJ/t
l,eg
E jig loss per ton of products kJ/t
l,jig
E heat loss of radiation from furnace opening per ton of products kJ/t
l,opening
E other losses per ton of products kJ/t
l,other
E Heat loss from furnace parts installed through furnace wall kJ/t
l,parts
E heat storage loss by batch-type furnace per ton of products kJ/t
l,storage
e heat storage loss by batch-type furnace per 1m2 of furnace wall kJ/m
l,storage
E wall loss per ton of products kJ/t
l,wall
E wall loss from furnace wall and flue per ton of products kJ/t
l,wall,1
E wall loss from hearth per ton of products kJ/t
l,wall,2
6 © ISO 2013 – All rights reserved
Symbol Meaning Unit
E other energy input per ton of products kJ/t
others
E total energy output per ton of products kJ/t
output
E sensible heat (or enthalpy) of products at the time when products are loaded in kJ/t
p1
the area of energy balance per ton of products
E sensible heat (or enthalpy) of products at the time when products are extracted kJ/t
p2
from the area of energy balance per ton of products
E heat of reaction per ton of products kJ/t
react
E energy regenerated from the wasted thermal energy per ton of products kJ/t
re
E sensible heat of combustion air or other oxydant per ton of products kJ/t
s,air
E sensible heat loss of atmospheric gas per ton of products kJ/t
s,atm
E sensible heat of atomization agent per ton of products kJ/t
s,atomize
E sensible heat of fuel per ton of products kJ/t
s,fuel
E sensible heat of infiltration air per ton of products kJ/t
s,infilt
E sensible heat of oxidized substance per ton of products kJ/t
s,oxid
E thermal (output) energy per ton of products kJ/t
therm,out
E energy used for generation of utilities per ton of products kJ/t
utility
E energy used for generation of atmospheric gas per ton of products kJ/t
u,atm,gen
E calorific value of source gas of atmospheric gas per ton of products kJ/t
u,atm,cal
E energy for generation of oxygen per ton of products kJ/t
u,oxy
E energy for generation of steam per ton of products kJ/t
u,steam
G theoretical volume of exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/m (n)
G' theoretical volume of dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg or
3 3
m (n)/ m (n)
H net pump head of pump M
d
H net calorific value of component j of gaseous fuel kJ/m (n)
j
H gross calorific value per unit quantity of fuel J/kg or kJ/m3(n)
h
H net calorific value per unit quantity of fuel J/kg or kJ/ m3(n)
l
H net calorific value of source gas kJ/m (n)
l,source gas
2 2
H heat storage of multilayer furnace refractory per 1m kJ/m
wall
h convection heat transfer coefficient W/m K
c0
h enthalpy of atomization agent at reference temperature kJ/kg
k heat conductivity of furnace parts of furnace installed through furnace wall W/mK
parts
L theoretical power of compressor kW
th
l l l thickness of each refractory layer M
1, 2, 3
l inner dimension between sidewalls of furnace M
iw
l thickness of furnace wall M
w
M mass of jigs/fixtures used per ton of products kg/t
j
M loss of mass per ton of products kg/t
loss
M mass of products kg or t
p
m excess combustion air ratio —
P absolute pressure of fluid at the inlet of furnace MPa
d
P static pressure at the inlet kPa
h
Symbol Meaning Unit
P absolute pressure of atmosphere MPa
s
P saturated water vapour pressure Pa
sf
P absolute pressure of fuel/air Pa
f
p static pressure of fluid measured at the inlet of furnaces kPa
h
difference of pressure at openings Pa
po
Q power of blower kW
blower
Q power of pump kW
pumps
Q power of compressor kW
comp
Q electrical power consumed in each of installed electrical auxiliary equipment kW
aux,installed
measured per ton of products
Q electrical power used for fluid transfer per ton of products kW
aux,fluid
q heat flux by convection W/m
c
q energy flux emitted from the furnace surface W/m
e
q heat energy loss from hearth W/m
h
q heat flux by radiation W/m
r
q energy flux through the furnace refractory W/m
t
R flow rate of fluid at the condition of atmosphere m (n)/min
f
R latent heat of water vapour kJ/kg
r flow rate of fluid measured at the inlet of furnaces m /min
f
S surface area of furnace m
surface
S surface area of furnace hearth m
hearth
S area of openings m
opening
S cross-sectional area of furnace parts installed through furnace wall m
parts
T ambient temperature K
a
T temperature of combustion air provided K
a1
T temperature of atmospheric gas provided K
atm1
T temperature of atmospheric gas discharged K
atm2
T maximum temperature of exhaust gas from regenerative burners in a single K
E,max,i
cycle
T minimum temperature of exhaust gas from regenerative burners in a single K
E,min
cycle
temperature of mean exhaust gas K
T
E
T temperature of fuel provided K
f1
T temperature of blowout K
gf
T temperature of hearth surface K
h
T temperature of jigs/fixtures at the time of loading to the area of energy balance K
j1
T temperature of jigs/fixtures at the time of extracting from the area of the energy K
j2
balance
average temperature of products at the time of loading to the area of energy K
T
p1
balance
T average temperature of products at the time of extracting from the area of the K
p2
energy balance
T temperature of furnace wall surface K
w
8 © ISO 2013 – All rights reserved
Symbol Meaning Unit
T cooling water temperature at its discharge port K
water out
T cooling water temperature at is supply port K
water in
T temperature of inside furnace K
z
t time of opening (e.g. charge/discharge door) per ton of products h/t
open
t time required to process one ton of product h/t
p
T T boundary temperature of refractory K
r1, r2
U mean velocity of fluid measured at the supplying point m/s
V volume of atmospheric gas provided per ton of products m (n)/t
atm
V mass of atomization agent provided per ton of products kg/t
atomize
V quantity of cooling water used per ton of products kg/t
cw
V fuel consumption per ton of products kg/t
f
m3(n)/t
V volume of blowout per hour m /h
gf
V infiltration air volume provided per ton of products m (n)/t
infilt
V measured combustion air volume per ton of products m (n)/t
me
V amount of oxygen used per ton of products m (n)/t
oxy
V volume of source gas of atmospheric gas used per ton of products m (n)/t
source gas
x volume fraction of component j of gaseous fuel —
j
z depth from the water surface m
volume fraction of hydrogen contained in gaseous fuel —
H
volume fraction of nitrogen contained in gaseous fuel —
N
volume fraction of oxygen contained in gaseous fuel —
O2
volume fraction of water contained in gaseous fuel —
H O
volume fraction of carbon monoxide contained in gaseous fuel —
CO
volume fraction of carbon dioxide contained in gaseous fuel —
CO
volume fraction of carbon hydrate contained in gaseous fuel —
C H
x y
volume fraction of hydrogen sulphide contained in gaseous fuel —
H S
w mass fraction of carbon contained in liquid fuel —
C
w mass fraction of hydrogen contained in liquid fuel —
H
w mass fraction of oxygen contained in liquid fuel —
O
w mass fraction of sulfur contained in liquid fuel —
S
w mass fraction of water contained in liquid fuel —
W
volume fraction of nitrogen contained in the combustion air —
(N )
volume fraction of oxygen contained in the combustion air —
(O )
volume fraction of water contained in combustion air —
(H O)
volume fraction of nitrogen contained in dry exhaust gas —
[N ]
volume fraction of oxygen contained in dry exhaust gas —
[O ]
volume fraction of carbon monoxide contained in dry exhaust gas —
[CO]
volume fraction of carbon dioxide contained in dry exhaust gas —
[CO ]
maximum volume fraction of carbon dioxide contained in exhaust gas —
[CO ]max
volume fraction of nitrogen contained in exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/m (n) fuel
Symbol Meaning Unit
volume fraction of oxygen contained in dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/m (n) fuel
volume fraction of water contained in dry exhaust gas per unit quantity of fuel m (n)/kg fuel or
3 3
m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of carbon dioxide contained in dry exhaust gas per unit quantity m (n)/kg fuel or
3 3
of fuel m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of sulfur dioxide contained in dry exhaust gas per unit quantity m (n)/kg fuel or
3 3
of fuel m (n)/ m (n) fuel
volume fraction of hydrogen sulfide contained in dry exhaust gas per unit m (n)/kg fuel or
3 3
quantity of fuel m (n)/ m (n) fuel
coefficient of friction —
f
coefficient determined by the shape of hearth —
hearth
tolerance of machinery —
m
coefficient determined from the shape of openings —
opening
energy consumption rate for production per 1 normal cubic metre of oxygen kWh/m (n)
oxy
emissivity of furnace surface —
coefficient of determined from the shape of furnace openings —
total energy efficiency —
overall adiabatic efficiency of compressor —
c
regional electrical generation efficiency —
e
efficiency of pump —
p
overall adiabatic efficiency of compressor —
t
static pressure efficiency of blower —
s
ratio of specific heat of fluid —
heat conductivity of furnace refractory W/mK
, , density of each refractory layer kg/m
1 2 3
density of fluid kg/m
f
2 4
Stephen-Boltzmann constant kJ/m h K
relative humidity —
f
5 Basic principles
5.1 General
The area of energy balance measurement shall be determined.
NOTE An example of determination of the area of energy balance measurement is shown in Figure 1.
The following aspects shall be included in the energy balance measurement:
a) energy input;
fuel equivalent energy, E ;
fe
other energy input, E ;
others
10 © ISO 2013 – All rights reserved
b) energy output:
thermal energy output, E ;
therm,out
energy consumed in electrical auxiliary equipment, E ;
aux
energy used for generation of utilities, E ;
utilities
electrical generation loss, E .
l,eg
Determine the energy input and energy output which goes into and comes out of the area of energy balance,
based on the measurement data.
The total energy input into the area shall balance the total energy output from the area.
The result of the energy balance measurement shall be summarized into energy input and energy output in an
energy balance sheet with necessary information, such as equipment summary, measurement condition and
measurement data.
Thermal energy balance and electrical generation may be created as subcategories (see 7.3 and 7.4).
Key
1 area of energy balance
2 furnace chamber
3 burner
4 heat exchanger
5 electrical generation
6 electrical auxiliary equipment
7 generation of utilities
8 electrical heating
a
Calorific value, E , and sensible heat of fuel, E .
h,fuel s,fuel
b
Sensible heat of combustion air, E .
s,air
c
Sensible heat of exhaust gas, E .
exhaust
d
Thermal energy input, such as heat of reaction, E , and sensible heat of infiltration air, E .
react s,infilt
e
Thermal energy output, such as effective energy, E , and heat losses.
effect
f
Circulating heat plus sensible heat of combustion air.
g
Thermal energy input from electrical heating sources.
h
Fuel equivalent energy of electricity, E .
fe,el
I
Electrical generation loss, E .
l,eg
j
Electrical energy consumption in electrical auxiliary equipment, E .
aux
k
Electrical energy consumption for generation of utilities, E .
u,atm,gen
Figure 1 — Example of determination of the area of energy balance measurement
12 © ISO 2013 – All rights reserved
5.2 Energy flow diagram
The energy flow diagram is a useful tool to represent input and output energy flow (see Figure 2).
NOTE An energy flow diagram is also known as a Sankey diagram.
Figure 2 — Example of energy flow diagram (Sankey diagram) of industrial furnace
5.3 Process Heating Assessment Survey Tool
Developed by the U.S. Department of Energy, the software Process Heating Assessment and Survey Tool
[25]
(PHAST) provides an introduction to process heating methods and tools to improve thermal efficiency of
heating equipment. The tool is used to survey process heating equipment that uses fuel, steam or electricity,
and identify the most energy-intensive equipment. Users may also perform an energy (heat) balance on
selected equipment (furnaces) to identify and reduce non-productive energy use, compare performance of the
furnace under various operating conditions and test "what-if" scenarios.
The thermal energy calculation function may be used as a tool which supplements the calculation specified in
this part of ISO 13579, such as:
sensible heat of material (effective energy);
jig loss:
calculations related to combustion;
sensible heat of atmospheric gas;
wall loss;
heat loss of radiation from furnace opening;
cooling water loss;
exhaust gas losses.
6 Basic conditions of measurement and calculation
6.1 State of furnace
Furnaces subject to measurement shall be operated under normal conditions and
in the case of continuous furnaces, the temperature and throughput shall be in the steady state
considered in the design calculation, and
in the case of batch-type furnaces, the temperature cycle and throughput shall be as considered in the
design calculation.
Normal operating conditions are generally based on nominal conditions stipulated in the specification. But in
the case of no specified condition, it may defined by the supplier, e.g. two thirds of design throughput.
6.2 Duration of measurement
In the case of continuous furnaces, the duration of the energy balance measurement should be at least twice
as long as the time the products stay in the furnace chamber.
In the case of batch-type furnaces, calculations shall be performed for each batch.
6.3 Unit of specific energy consumption
The basic unit of specific energy consumption shall be one kilo joule per ton (i.e. 1 000 kg) (kJ/t) of product,
unless otherwise specified.
6.4 Reference conditions
The reference conditions shall be 0 °C (273,15 K) and 101 325 Pa, unless otherwise specified.
6.5 Unit of amount of gas
The values of amount of gas represented in this part of ISO 13579 shall be expressed in terms of volume
under the reference conditions specified in 6.4, unless otherwise specified.
The unit of volume under the reference conditions shall be expressed in normal cubic metres [m (n)], unless
otherwise specified.
NOTE 2,24 × 10 normal cubic metres is equivalent to 1 mol.
6.6 Fuel
The unit quantity of fuel is
1 kg in the case of liquid fuel, or
one normal cubic metre [1 m (n)] in the case of gaseous fuel.
In this part of ISO 13579, net calorific value of fuel is used as a calorific value.
14 © ISO 2013 – All rights reserved
7 Type of energy evaluated in this part of ISO 13579 and its systematization
7.1 General
The energy evaluated in this part of ISO 13579 and their symbols are defined in Clause 3.
All energy shall be expressed in kilojoules per ton of product (kJ/t), unless otherwise specified.
7.2 Energy balance
Systematization of energy evaluated in this part of ISO 13579 is described in Table 1.
Table 1 — Systematization of type of energy evaluated in this part of ISO 13579 —
Overall energy balance
Type of energy
Total energy Intermediate
Detailed item
input/output category
Calorific value of fuel, E
h,fuel
Calorific value of waste, E
h,waste
Fuel equivalent
energy, E
fe
Calorific value of source gas of atmospheric gas, E
fe,atm,cal
Fuel equivalent energy of electricity, E
fe,el
Total energy
Sensible heat of fuel, E
s,fuel
input, E
input
Sensible heat of combustion air, E
s,air
Other energy
Sensible heat of atomization agent, E
s,atomize
input, E
others
Heat of reaction, E
react
Sensible heat of infiltration air, E
s,infilt
Effective energy, E
effect
Jig loss, E
l,jig
Sensible heat of oxidized substance, E
s,oxid
Sensible heat of exhaust gas, E
exhaust
Heat storage loss by batch-type furnace, E
l,storage
Sensible heat loss of atmospheric gas, E
s,atm
Thermal energy,
E
therm,out
Wall loss, E
l,wall
Heat loss of discharged blowout from furnace opening, E
l,blowout
Heat loss of radiation from furnace opening, E
l,opening
Heat loss from furnace parts installed through furnace wall, E
l,parts
Total energy
Cooling water loss, E
l,cw
output, E
output
Other losses, E
l,other
Energy consumed in installed electrical auxiliary equipment, E ,
aux,installed
Electrical
blowers, etc.
auxiliary
Energy used for fluid transfer, E ,
aux,fluid
equipment, E
aux
cooling water, etc.
Oxygen, E
u,oxy
Steam, E
u,steam
Generation of
utilities, E
utility
energy for generation, E
u,atm,gen
Atmospheric gas
calorific value of source gas, E
u,atm,cal
Electrical generation loss, E
l,eg
7.2.1 Total energy input
See 3.1.1.
7.2.2 Fuel equivalent energy
See 3.1.2.
The calorific value of source gas of atmospheric gas, E , shall be added as energy input even though the
fe,atm,cal
atmospheric gas is emitted from the furnace in an unburned state.
Regional electrical generation efficiency shall be applied to the convention of fuel equivalent energy of
electricity, E .
fe,el
7.2.3 Other energy input
See 3.1.3.
7.2.4 Total energy output
See 3.1.4.
7.2.5 Thermal energy output
See 3.1.5.
7.2.6 Energy consumed in electrical auxiliary equipment
See 3.1.6.
If part of the energy consumed in electrical auxiliary equipment, E , is used as thermal energy in the
aux,installed
heating process, the thermal energy shall be subtracted from the total energy consumed in the installed
electrical auxiliary equipment.
Energy used for fluid transfer, E , shall be applied when energy consumed in auxiliary electrical
aux,fluid
equipment for fluid transfer, such as a pump, cannot be determined from the measurement of electrical energy
supplied to the equipment (e.g. cooling water supplied from the factory facilities).
7.2.7 Energy used for generation of utility
See 3.1.7.
Energy used for generation of utilities, E , other than oxygen, steam and atmospheric gas for heat treatment
utility
may be excluded.
Energy for generation of atmospheric gas for heat treatment shall include calorific value of source gas, E ,
u,atm,cal
and the energy for generation of the atmospheric gas, E .
u,atm,gen
7.2.8 Electrical generation loss
See 3.1.8.
16 © ISO 2013 – All rights reserved
7.3 Thermal energy balance
7.3.1 General
Thermal energy balance sheet may be created as a subcategory of total energy balance. The thermal energy
balance shall be a part of the total energy balance.
The area of thermal energy balance should be basically equivalent to the industrial furnace chambers subject
to measurement (see Figure 1).
The systematization of thermal energy is described in Table 2.
Table 2 — Systematization of type of energy evaluated in this part of ISO 13579 —
Thermal energy balance
Type of energy
Thermal energy
Intermediate category/detailed item
input/output
Calorific value of fuel, E
h,fuel
Calorific value of waste, E
h,waste
Thermal energy input from electrical heating source
Sensible heat of fuel, E
s,fuel
Thermal energy
input
Sensible heat of combustion air, E
s,air
Other energy
Sensible heat of a
...
PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 13579-1
ISO/TC 244
Fours industriels et équipements
Secrétariat: JISC
associés — Méthode de mesure du bilan
Début de vote:
énergétique et de calcul de l'efficacité —
2012-09-19
Partie 1:
Vote clos le:
2012-11-19
Méthode générale
Industrial furnaces and associated processing equipment — Method of
measuring energy balance and calculating efficiency —
Part 1: General methodology
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D'ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S'ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE DES
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
©
ISO 2012
TION NATIONALE.
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
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Les contrevenants pourront être poursuivis.
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos . v
Introduction . vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Termes relatifs au type d’énergie utilisé dans la présente partie de l’ISO 13579 . 1
4 Symboles . 5
5 Principes fondamentaux . 11
5.1 Généralités . 11
5.2 Diagramme de flux d'énergie . 13
5.3 Outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle . 14
6 Conditions fondamentales de mesure et de calcul . 14
6.1 État du four . 14
6.2 Durée de la mesure . 14
6.3 Unité de consommation spécifique d'énergie . 15
6.4 Conditions de référence . 15
6.5 Unité de quantité de gaz . 15
6.6 Combustible . 15
7 Type d’énergie évalué dans la présente partie de l’ISO 13579 et sa systématisation . 15
7.1 Généralités . 15
7.2 Bilan énergétique . 15
7.3 Bilan énergétique thermique . 18
7.4 Bilan énergétique de la production d’énergie électrique . 19
7.5 Énergie recyclée . 19
8 Méthodes de mesure . 19
8.1 Généralités . 19
8.2 Combustible . 20
8.3 Fluide d'atomisation . 20
8.4 Air de combustion et gaz d'échappement . 21
8.5 Gaz d’atmosphère contrôlée . 25
8.6 Produits et dispositifs/appareils pour la manutention des produits . 26
8.7 Température de surface du four . 26
8.8 Température de la paroi intérieure du four . 27
8.9 Pression intérieure du four . 27
8.10 Eau de refroidissement . 27
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
8.11 Équipements auxiliaires électriques .27
8.12 Production d’utilités .27
8.13 Énergie recyclée .27
9 Calculs .28
9.1 Dispositions générales .28
9.2 Intrant énergétique total .28
9.3 Extrant énergétique total .32
9.4 Efficacité énergétique totale .36
10 Rapport d’évaluation de bilan énergétique .37
Annexe A (informative) Estimation de l’incertitude de l’efficacité énergétique totale .39
Annexe B (informative) Méthode de mesure concernant les brûleurs régénératifs .41
Annexe C (informative) Données de référence .42
Annexe D (informative) Calcul de l’humidité du combustible et de l’air .52
Annexe E (informative) Calculs de l’accumulation de chaleur par la paroi du four, du profil de
température de la paroi du four et de la perte de chaleur par la paroi du four dans les
processus en série des fours intermittents .53
Annexe F (informative) Calcul de la perte due aux parois et de la perte de chaleur due au gaz
dégagé lors de l’ouverture du four .59
Annexe G (informative) Calcul de l’énergie de transfert d’un fluide .63
Annexe H (informative) Exemple de fiche de bilan énergétique .66
Bibliographie .68
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 13579-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 244, Fours industriels et équipements associés.
L'ISO 13579 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Fours industriels et
équipements associés — Méthode de mesure du bilan énergétique et de calcul de l'efficacité:
Partie 1: Méthode générale
Partie 2: Fours de réchauffage pour acier
Partie 3: Fours dormants de fusion pour l’aluminium
Partie 4: Fours à atmosphère contrôlée ou active
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
Introduction
La prévention du réchauffement climatique est un problème important qui doit être résolu à l’échelle mondiale.
Cette situation exige un compromis délicat entre une réduction drastique de la consommation d’énergie et la
garantie, pour tout un chacun, d'un quotidien pratique et confortable.
Pour répondre à ces exigences, il est essentiel d’utiliser l’énergie de manière aussi efficace que possible.
Bien que les fours industriels jouent un rôle important dans la société moderne, ils consomment néanmoins
une grande quantité d’énergie. Afin de traiter les problèmes mentionnés ci-dessus, il est important:
d’élaborer une Norme internationale (c’est-à-dire la série ISO 13579), qui spécifie de manière raisonnable
l’efficacité énergétique des fours industriels,
de maîtriser la consommation d’énergie en utilisant les données de mesure recueillies sur la base de
l’ISO 13579 (toutes les parties), et
d’améliorer l’efficacité.
En outre, la présente partie de l’ISO 13579 peut être appliquée comme un guide impartial pour utiliser le
[24]
mécanisme de développement propre (MDP), créé dans le cadre du protocole de Kyoto pour la mise en
œuvre de mesures destinées à la prévention du réchauffement climatique.
Tous les calculs de l’ISO 13579 (toutes les parties) sont fondés sur l’emplacement de l’équipement dans les
conditions de référence.
NOTE Pour les équipements destinés à être installés au-dessus ou au-dessous du niveau de la mer, il est prévu de
calculer l’impact de l’altitude pour l’emplacement concerné.
vi © ISO 2012 – Tous droits réservés
PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
Fours industriels et équipements associés — Méthode de
mesure du bilan énergétique et de calcul de l'efficacité —
Partie 1:
Méthode générale
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 13579 spécifie une méthode générale pour mesurer le bilan énergétique et
calculer l’efficacité du processus appliqué aux fours industriels et leurs équipements associés conçus par les
fabricants de fours. La présente méthode générale comprend:
les méthodes de mesure;
les calculs (calcul général);
un rapport d’évaluation du bilan énergétique.
La présente partie de l’ISO 13579 ne s’applique pas aux rendements liés au processus proprement dit, en
dehors des fours industriels et de leurs équipements associés (par exemple dans un processus de laminage,
le four de réchauffage est la seule partie destinée à être couverte par la présente partie de l’ISO 13579).
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de manière normative dans le présent document
et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 13574, Fours industriels et équipements associés ― Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13574 ainsi que les
suivants s’appliquent.
3.1 Termes relatifs au type d’énergie utilisé dans la présente partie de l’ISO 13579
3.1.1 Intrant énergétique total
3.1.1.1
intrant énergétique total
E
intrant
intrant énergétique total mesuré introduit dans la zone concernée par la mesure du bilan énergétique et qui
est composé de l’énergie thermique équivalente et d’un autre intrant énergétique
ISO/FDIS 13579-1:2012(F)
3.1.2 Énergie combustible équivalente
3.1.2.1
énergie combustible équivalente
E
fe
cumul de l’énergie d’entrée composé du pouvoir calorifique du combustible, du pouvoir calorifique des
déchets, du pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère et de l’énergie combustible équivalente de
l’électricité
3.1.2.2
pouvoir calorifique du combustible
E
h,combustible
chaleur de combustion du combustible qui est consommé et utilisé pour chauffer des produits dans la zone de
bilan énergétique
3.1.2.3
pouvoir calorifique des déchets
E
h,déchets
pouvoir calorifique des déchets introduits avec les produits dans la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Résidus d’huile sur des copeaux d’aluminium.
3.1.2.4
pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère
E
fe,atm,cal
pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère utilisé comme atmosphère contrôlée ou active
3.1.2.5
énergie combustible équivalente de l’électricité
E
fe,él
énergie combustible équivalente de l’électricité convertie à partir de chaque consommation d’énergie
électrique dans la zone de bilan énergétique
3.1.3 Autre intrant énergétique
3.1.3.1
autre intrant énergétique
E
autres
énergie comprenant la chaleur sensible du combustible, la chaleur sensible de l’air de combustion ou d’un
autre oxydant, la chaleur sensible du fluide d’atomisation pour le combustible liquide, la chaleur de réaction et
la chaleur sensible de l’air d’infiltration
3.1.3.2
chaleur de réaction
E
réact
chaleur produite par la réaction d'oxydation de produits dans la zone de mesure du bilan énergétique
EXEMPLE Formation de calamine de produits en acier pendant la réaction d'oxydation.
3.1.3.3
chaleur sensible de l’air d’infiltration
E
s,infilt
chaleur sensible de l'air qui s'infiltre dans le four par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée/de sortie ou des
interstices dans les systèmes de fonctionnement du four
NOTE 1 à l'article Ce terme peut être remplacé par «chaleur sensible de l'air faux».
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3.1.4 Extrant énergétique total
3.1.4.1
extrant énergétique total
E
extrant
extrant énergétique mesuré total émis par ou consommé dans la zone de bilan énergétique, qui est composé
de l’extrant énergétique thermique, de l’énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques, de
l’énergie utilisée pour la production d’utilité et de la perte due à la production d'énergie électrique
3.1.5 Extrant énergétique thermique
3.1.5.1
extrant énergétique thermique
E
extrant, therm
cumul de l’énergie thermique émise à partir de la zone de bilan énergétique
NOTE 1 à l'article L'extrant énergétique thermique est composé de l’énergie définie en 3.1.5.2 à 3.1.5.13.
3.1.5.2
énergie efficace
E
efficace
enthalpie emmagasinée dans les produits dans la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.3
perte due aux dispositifs
E
l,dispositif
enthalpie emmagasinée par les dispositifs de manutention des produits dans la zone de mesure du bilan
énergétique
3.1.5.4
chaleur sensible de la substance oxydée
E
l,oxyd
chaleur sensible des substances ayant réagi avec l'oxygène, formées lors du processus thermique issu de la
zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.5
chaleur sensible des gaz d’échappement
E
échappement
chaleur sensible du gaz d’échappement émis à partir de la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.6
perte de chaleur accumulée par un four intermittent
E
l,accumulée
chaleur sensible emmagasinée par les réfractaires du four au cours d’un cycle de fonctionnement du four
intermittent
3.1.5.7
perte de chaleur sensible du gaz d’atmosphère
E
s,atm
chaleur sensible emmagasinée par le gaz d’atmosphère du procédé thermique à travers la zone de bilan
thermique
3.1.5.8
perte due aux parois
E
l,paroi
énergie thermique émise par la surface des fours industriels par rayonnement et convection
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3.1.5.9
perte de chaleur due à l’échappement de gaz par l’ouverture du four
E
l,gaz dégagé
chaleur sensible du dégagement de gaz émis par l’ouverture du four
3.1.5.10
perte de chaleur par rayonnement par l’ouverture du four
E
l,ouverture
énergie thermique par rayonnement émise par l’ouverture du four
3.1.5.11
perte de chaleur émise par des parties installées à travers la paroi du four
E
l,parties
énergie thermique émise par des parties installées à travers la paroi du four
EXEMPLE Comme dans le cas d'une sole à rouleaux.
3.1.5.12
perte due à l’eau de refroidissement
E
l,cw
énergie thermique transférée par l'eau de refroidissement hors de la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.13
autres pertes
E
l,autres
pertes d'énergie thermique non mesurées de la zone de bilan thermique
3.1.6 Énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques
3.1.6.1
énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques
E
aux
énergie utilisée dans les équipements auxiliaires électriques, qui est composée de l'énergie consommée dans
les équipements auxiliaires électriques installés et de l’énergie utilisée pour le transfert de fluide
3.1.6.2
énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques installés
E
aux,installés
énergie totale cumulée utilisée dans les équipements auxiliaires électriques installés (par exemple ventilateurs,
pompes) implantés dans la zone de bilan énergétique
3.1.6.3
énergie utilisée pour le transfert de fluide
E
aux,fluide
énergie cumulée pour le transfert de fluide, calculée à partir de la propriété du fluide
EXEMPLE Pour l'eau de refroidissement, le combustible, etc.
3.1.7 Énergie utilisée pour la production d'utilités
3.1.7.1
utilité
service autre que la fourniture de combustible et d’électricité dans la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Oxygène, vapeur et gaz d’atmosphère.
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3.1.7.2
énergie utilisée pour la production d’utilités
E
utilités
énergie cumulée pour la production des utilités utilisées dans la zone de bilan énergétique
3.1.8 Perte due à la production d’énergie électrique
3.1.8.1
perte due à la production d’énergie électrique
E
l,eg
perte d’énergie inhérente à la production d’énergie électrique qui est calculée à partir de l’énergie combustible
équivalente et de l’énergie électrique consommée totale
3.1.9 Bilan énergétique thermique
3.1.9.1
apport d’énergie thermique à partir d’une source de chauffage électrique
énergie thermique entrant dans le processus à partir d’une source de chauffage électrique, telle qu’un
équipement de chauffage électrique, émise dans la zone de bilan énergétique
3.1.9.2
chaleur de circulation
chaleur circulant dans un équipement ou un système installé dans la zone de bilan énergétique
3.1.10 Bilan énergétique de la production d’énergie électrique
3.1.10.1
énergie électrique totale consommée
E
e,totale
cumul de l’énergie électrique consommée dans la zone de bilan énergétique, égale à la somme de l’apport
d’énergie thermique à partir d’une source de chauffage électrique, de l’énergie consommée dans les
équipements auxiliaires électriques et de l'énergie électrique utilisée pour la production d'utilités
3.1.10.2
énergie électrique utilisée pour la production d’utilités
E
e,utilités
cumul de l’énergie électrique consommée pour la production d’utilités (par exemple production d’oxygène)
utilisée dans la zone de bilan énergétique
3.1.11 Énergie recyclée
3.1.11.1
énergie recyclée
E
re
énergie récupérée à partir de l’énergie thermique perdue par la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Énergie réutilisée dans une chaudière de récupération.
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles suivants s’appliquent.
NOTE 1 Les tonnes utilisées sont des tonnes métriques.
NOTE 2 Pour l’unité de volume de gaz, voir 6.5.
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Symbole Signification Unité
A volume d’air de combustion fourni par tonne de produits m (n)/t
A volume théorique d’air de combustion requis par quantité unitaire m (n)/kg ou
3 3
de combustible m (n)/m (n)
C conductivité thermique du matériau de la sole W/mK
c chaleur massique moyenne du gaz d’atmosphère entre T et kJ/(kg·K)
pm,atm1 atm1
273,15 K
c chaleur massique moyenne du gaz d’atmosphère entre T et kJ/(kg·K)
pm,atm2 atm2
273,15 K
c chaleur massique moyenne des dispositifs/appareils entre T et kJ/(kg·K)
pm,j1 j1
273,15 K
c chaleur massique moyenne des dispositifs/appareils entre T et kJ/(kg·K)
pm,j2 j2
273,15 K
c chaleur massique moyenne du gaz d’échappement entre T et kJ/(kg·K)
pm,E E
273,15 K
c chaleur massique moyenne de l’air de combustion entre la kJ/(m (n)·K)
pm,a
température ambiante et 273,15 K
c chaleur massique moyenne de l’air de combustion entre sa kJ/(kg·K) ou
pm,a1
température spécifiée et 273,15 K kJ/m (n)·K
c chaleur massique moyenne du combustible entre sa température kJ/(kg·K) ou
pm,f1
prévue et 273,15 K kJ/m (n)·K
c chaleur massique moyenne du gaz dégagé entre T et 273,15 K kJ/m (n)·K
pm,gf gf
c chaleur massique moyenne des produits entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p1 p1
c chaleur massique moyenne des produits entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p2 p2
c chaleur massique moyenne du réfractaire de chaque couche kJ/(kg·K)
pm,ri
E énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques kJ/t
aux
par tonne de produits
E cumul de l’énergie utilisée pour le transfert de fluide par tonne de kJ/t
aux,fluide
produits
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les soufflantes par kJ/t
aux,fluide,souff
tonne de produits
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les compresseurs kJ/t
aux,fluide,comp
par tonne de produits
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les soufflantes par kJ/t
aux,fluide,pompe
tonne de produits
E cumul de l’énergie utilisée dans les équipements auxiliaires kJ/t
aux,installés
électriques installés par tonne de produits
E énergie consommée pour la production d’utilité par tonne de kJ/t
e,utilité
produits
E énergie efficace par tonne de produits kJ/t
efficace
E chaleur sensible du gaz d’échappement par tonne de produits kJ/t
échappement
E énergie thermique équivalente de l’électricité par tonne de produits kJ/t
fe
E pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère par tonne kJ/t
fe,atm,cal
de produits
E énergie thermique équivalente de l'électricité par tonne de produits kJ/t
fe,él
E pouvoir calorifique du combustible par tonne de produits kJ/t
h,combustible
E pouvoir calorifique des déchets par tonne de produits kJ/t
h,déchets
E intrant énergétique total par tonne de produits kJ/t
intrant
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Symbole Signification Unité
E perte de chaleur due à l’échappement de gaz par l’ouverture du kJ/t
l,soufflante
four par tonne de produits
E perte due à l’eau de refroidissement par tonne de produits kJ/t
l,cw
E perte d’énergie lors de la production d’énergie électrique kJ/t
l,eg
E perte due aux dispositifs par tonne de produits kJ/t
l,dispositif
E perte de chaleur par rayonnement par l’ouverture du four par kJ/t
l,ouverture
tonne de produits
E autres pertes par tonne de produits kJ/t
l,autres
E perte de chaleur émise par les parties à travers la paroi du four kJ/t
l,parties
E perte de chaleur accumulée par un four à fonctionnement kJ/t
l,accumulée
intermittent par tonne de produits
E perte de chaleur accumulée par le four à fonctionnement kJ/m
l,accumulée
intermittent par mètre carré de paroi du four
E perte due aux parois par tonne de produits kJ/t
l,paroi
E perte par la paroi et les carneaux de fumée du four par tonne de kJ/t
l,paroi,1
produits
E perte due à la sole par tonne de produits kJ/t
l,paroi,2
E autre intrant énergétique par tonne de produits kJ/t
autres
E extrant énergétique total par tonne de produits kJ/t
extrant
E chaleur sensible (ou enthalpie) des produits au moment où les kJ/t
p1
produits sont chargés dans la zone de bilan thermique par tonne
de produits
E chaleur sensible (ou enthalpie) des produits au moment où les kJ/t
p2
produits sont extraits de la zone de bilan thermique par tonne de
produits
E chaleur de réaction par tonne de produits kJ/t
réact
E chaleur sensible de l’air de combustion ou autre oxydant par tonne kJ/t
s,air
de produits
E perte de chaleur sensible du gaz d’atmosphère par tonne de kJ/t
s,atm
produits
E chaleur sensible du fluide d’atomisation par tonne de produits kJ/t
s,atomis
E chaleur sensible du combustible par tonne de produits kJ/t
s,combustible
E chaleur sensible de l’air d’infiltration par tonne de produits kJ/t
s,infilt
E chaleur sensible de la substance oxydée par tonne de produits kJ/t
s,oxyd
E énergie thermique (sortie) par tonne de produits kJ/t
extrant,therm
E énergie thermique utilisée pour la production d’utilités par tonne de kJ/t
utilité
produits
E énergie utilisée pour la production de gaz d’atmosphère par tonne kJ/t
u,atm,prod
de produits
E pouvoir calorifique du gaz source de gaz d’atmosphère par tonne kJ/t
u,atm,cal
de produits
E énergie consommée pour la production d’oxygène par tonne de kJ/t
u,oxy
produits
E énergie consommée pour la production de vapeur tonne de kJ/t
u,vapeur
produits
3 3 3
G volume théorique du gaz d’échappement par quantité unitaire de m (n)/kg ou m (n)/m (n)
combustible
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Symbole Signification Unité
G' volume théorique du gaz d’échappement sec par quantité unitaire m (n)/kg ou
3 3
de combustible m (n)/ m (n)
H hauteur d’élévation nette de la pompe M
d
H pouvoir calorifique inférieur du composant j du combustible gazeux kJ/m (n)
j
H pouvoir calorifique supérieur par quantité unitaire de combustible J/kg ou kJ/m3(n)
h
H pouvoir calorifique inférieur par quantité unitaire de combustible J/kg ou kJ/ m3(n)
l
H pouvoir calorifique inférieur de gaz source kJ/m (n)
l,gaz,source
H Accumulation de chaleur par les réfractaires du four multicouche kJ/m
paroi
par m²
h coefficient de transmission thermique par convection W/m K
c0
h enthalpie du fluide d’atomisation à la température de référence kJ/kg
K conductivité thermique des parties du four installé, à travers la W/mK
parties
paroi du four
L puissance théorique du compresseur kW
th
l l l épaisseur de chaque couche réfractaire M
1, 2, 3
l dimension intérieure entre les parois latérales du four M
iw
l épaisseur de la paroi du four M
w
M masse des dispositifs/appareils par tonne de produits kg/t
j
M masse de perte par tonne de produits kg/t
perte
M masse de produits kg ou t
p
m rapport d’excès d’air de combustion —
P pression absolue du fluide à l’entrée du four MPa
d
P pression statique à l’entrée kPa
h
P pression absolue de l’atmosphère MPa
s
P pression de vapeur d’eau saturante Pa
sf
P pression absolue du combustible/air Pa
f
p pression statique du fluide mesurée à l’entrée des fours kPa
h
différence de pression aux ouvertures Pa
po
Q puissance de la soufflante kW
soufflante
Q puissance de la pompe kW
pompes
Q puissance du compresseur kW
comp
Q puissance électrique consommée dans chaque équipement kW
aux,installés
auxiliaire électrique installé, mesurée par tonne de produits
Q puissance électrique utilisée pour le transfert de fluide par tonne kW
aux,fluide
de produits
q flux de chaleur par convection W/m
c
q flux d’énergie émis par la surface du four W/m
e
q perte d’énergie thermique par la sole W/m
h
q flux de chaleur par rayonnement W/m
r
q flux d’énergie à travers les réfractaires du four W/m
t
R débit du fluide dans les conditions de l’atmosphère m (n)/min
f
R chaleur latente de vapeur d’eau kJ/kg
r débit du fluide mesuré à l’entrée des fours m /min
f
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Symbole Signification Unité
S superficie du four m
surface
S superficie de la sole du four m
sole
S surface des ouvertures m
ouverture
S section des parties du four traversant la paroi du four m
parties
T température ambiante K
a
T température prévue de l’air de combustion K
a1
T température prévue du gaz d’atmosphère K
atm1
T température du gaz d’atmosphère émis K
atm2
T température maximale des gaz d’échappement issus des brûleurs K
E,max i
régénératifs au cours d'un cycle
T température minimale des gaz d’échappement issus des brûleurs K
E,min
au cours d’un cycle
T température moyenne des gaz d’échappement K
E
T température du combustible prévue K
f1
T température du gaz dégagé K
gf
T température de surface de la sole K
h
T température des dispositifs/appareils au moment du chargement K
j1
dans la zone de bilan énergétique
T température des dispositifs/appareils au moment de l’extraction K
j2
dans la zone de bilan énergétique
T température moyenne des produits au moment du chargement K
p1
dans la zone de bilan énergétique
T température moyenne des produits au moment de l’extraction K
p2
dans la zone de bilan énergétique
T température de la surface de la paroi du four K
w
T température de l’eau de refroidissement au niveau de son orifice K
eau sortie
de sortie
T température de l’eau de refroidissement au niveau de son orifice K
eau entrée
d’entrée
T température de la partie interne du four K
z
t temps d’ouverture (par exemple porte de h/t
ouverture
chargement/déchargement) par tonne de produits
t temps requis pour traiter une tonne de produits h/t
p
T , T température limite des réfractaires K
r1 r2
U vitesse moyenne du fluide, mesurée au point d’alimentation m/s
V volume du gaz d’atmosphère prévu par tonne de produits m (n)/t
atm
V masse de fluide d’atomisation prévue par tonne de produits kg/t
atomis
V quantité d’eau de refroidissement par tonne de produits kg/t
cw
V quantité de combustible consommée par tonne de produits kg/t
f
m3(n)/t
V volume de gaz dégagé par heure m /h
gf
V volume d’air d’infiltration prévu par tonne de produits m (n)/t
infilt
V volume d’air de combustion mesurée par tonne de produits m (n)/t
me
V quantité d’oxygène utilisée par tonne de produits m (n)/t
oxy
V volume de gaz source du gaz d’atmosphère utilisé par tonne de m (n)/t
gaz source
produits
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Symbole Signification Unité
x fraction volumique du composant j du combustible gazeux —
j
z profondeur par rapport à la surface de l’eau m
fraction volumique de l’hydrogène contenu dans le combustible —
H
gazeux
fraction volumique de l’azote contenu dans le combustible gazeux —
N
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le combustible —
O
gazeux
fraction volumique de l’eau contenue dans le combustible gazeux —
H O
fraction volumique du monoxyde de carbone contenu dans le —
CO
combustible gazeux
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le —
CO
combustible gazeux
fraction volumique de l’hydrocarbure contenu dans le combustible —
C H
x y
gazeux
fraction volumique de sulfure de l’hydrogène contenu dans le —
H S
combustible gazeux
w fraction massique du carbone contenu dans le combustible liquide —
C
w fraction massique de l’hydrogène contenu dans le combustible —
H
liquide
w fraction massique de l’oxygène contenu dans le combustible —
O
liquide
w fraction massique du soufre contenu dans le combustible liquide —
S
w fraction massique d’eau contenue dans le combustible liquide —
W
fraction volumique de l’azote contenu dans l’air de combustion —
(N )
fraction volumique de l’oxygène contenu dans l’air de combustion —
(O )
fraction volumique de l’eau contenue dans l’air de combustion —
(H O)
fraction volumique de l’azote contenu dans le gaz d’échappement —
[N ]
sec
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le gaz —
[O ]
d’échappement sec
fraction volumique du monoxyde de carbone contenu dans le gaz —
[CO]
d’échappement sec
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le gaz —
[CO ]
d’échappement sec
fraction volumique maximale du dioxyde de carbone contenu dans —
[CO ]max
le gaz d’échappement
fraction volumique de l’azote contenu dans le gaz d’échappement m (n)/kg combustible ou
3 3
sec par quantité unitaire de combustible m (n)/m (n) combustible
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le gaz m (n)/kg combustible ou
O
3 3
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible m (n)/m (n) combustible
fraction volumique de l’eau contenue dans le gaz d’échappement m (n)/kg combustible ou
HO
3 3
sec par quantité unitaire de combustible m (n)/ m (n) combustible
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le gaz m (n)/kg combustible ou
CO
3 3
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible m (n)/ m (n) combustible
fraction volumique du dioxyde de soufre contenu dans le gaz m (n)/kg combustible ou
SO
3 3
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible m (n)/ m (n) combustible
fraction volumique du sulfure d’hydrogène contenu dans le gaz m (n)/kg combustible ou
HS
3 3
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible m (n)/ m (n) combustible
coefficient de frottement —
f
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Symbole Signification Unité
coefficient déterminé par la forme de la sole —
sole
tolérance des machines —
m
coefficient déterminé par la forme des ouvertures —
ouverture
taux de consommation d’énergie en production pour 1m normal kWh/m (n)
oxy
d’oxygène
émissivité de la surface du four —
coefficient of déterminé à partir de la forme des ouvertures du four —
efficacité énergétique totale —
rendement adiabatique totale du compresseur —
c
efficacité de la production électrique régionale —
e
rendement de la pompe —
p
rendement adiabatique totale du compresseur —
t
rendement en pression statique de la soufflante —
s
rapport de chaleur massique du fluide —
conductivité thermique des réfractaires du four W/mK
, , masse volumique de chaque couche de réfractaire kg/m
1 2 3
masse volumique du fluide kg/m
f
constante de Stephen-Boltzmann kJ/m h K
humidité relative —
f
5 Principes fondamentaux
5.1 Généralités
La zone de mesure du bilan énergétique doit être déterminée.
NOTE La Figure 1 illustre un exemple de détermination de la zone de mesure du bilan énergétique.
Les aspects suivants doivent être inclus dans la mesure du bilan énergétique:
a) intrant énergétique:
énergie thermique équivalente du combustible, E ;
fe
autre intrant énergétique, E ;
autres
b) extrant énergétique:
extrant énergétique thermique, E ;
extrant,therm
énergie utilisée dans les équipements auxiliaires électriques, E ;
aux
énergie utilisée pour la production des utilités, E ;
utilités
perte de production d’électricité, E .
l,eg
Déterminer l’intrant énergétique et l’extrant énergétique entrant et sortant de la zone de bilan énergétique sur
la base des données de mesure.
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L’intrant énergétique total entrant dans la zone doit compenser l’extrant énergétique total sortant de la zone.
Le résultat de la mesure du bilan énergétique doit être exprimé de manière succincte en termes d'intrant
énergétique et d’extrant énergétique dans une fiche de bilan énergétique contenant les informations
nécessaires, telles que le récapitulatif des équipements, les conditions de mesure et les données de mesure.
Il est possible de créer des sous-catégories pour exprimer le bilan énergétique thermique et la production
d'énergie électrique (voir 7.3 et 7.4).
Légende
1 zone de bilan énergétique
2 four
3 brûleur
4 échangeur thermique
5 production d’énergie électrique
6 équipement auxiliaire électrique
7 production d’utilités
8 chauffage électrique
a
Pouvoir calorifique, E , et chaleur sensible du combustible, E .
h,combustible s,combustible
b
Chaleur sensible de l’air de combustion, E .
s,air
c
Chaleur sensible du gaz d’échappement, E .
échappement
d
Intrant d’énergie thermique telle que la chaleur de réaction, E , et chaleur sensible à l’air d’infiltration E .
réact s,infilt
e
Extrant d’énergie thermique telle que l’énergie efficace, E et les pertes de chaleur.
efficace
f
Chaleur de circulation plus chaleur sensible à l’air de combustion.
g
Apport d’énergie thermique par les sources de chaleur électriques.
h
Énergie thermique équivalente d’électricité, E .
fe,él
I
Perte due à la production d’énergie électrique, E .
l,eg
j
Consommation d’énergie électrique dans les équipements auxiliaires électriques, E .
aux
k
Consommation d’énergie électrique pour la production d’utilités, E .
u,atm,gen
Figure 1 — Exemple de détermination de la zone de mesure du bilan énergétique
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5.2 Diagramme de flux d'énergie
Le diagramme de flux d'énergie est un outil permettant de représenter le flux d’entrée et de sortie de l’énergie
(voir Figure 2).
NOTE Le diagramme de flux d'énergie est également connu sous le nom de diagramme de Sankey.
Total energy input Intrant énergétique total
Fuel equivalent energy Énergie thermique équivalente du combustible
Other energy Autre énergie
Fuel equivalent energy of electricity 60,8 % Énergie combustible fossile équivalente à l’électricité 60,8 %
Electrical generation Production d’énergie électrique
Fuel 35,0 % Combustible 35,0 %
Electrical heat source 18,3 % Source de chaleur électrique 18,3 %
Thermal energy balance (furnace process) Bilan énergétique thermique (procédé du four)
Recuperator Récupérateur
Circulating heat Recirculation de chaleur
Sensible heat of combustible Chaleur sensible du combustible
Sensible heat of combustion air 0,3 % Chaleur sensible de l’air de combustion 0,3 %
Total energy output Extrant énergétique total
Calorific value of atmosphere source gas 3,9 % Pouvoir calorifique du gaz source d’atmosphère 3,9 %
Electrical generation 38,8 % Production d’énergie électrique 38,8 %
Transferring fluid 7,2 % Transfert de fluide 7,2 %
Electrical equipment 2,6% Équipements électriques 2,6 %
Effective energy 17,3 % Énergie efficace 17,3 %
Jig loss 5,8 % Perte due aux dispositifs 5,8 %
Wall loss 8,4 % Perte due aux parois 8,4 %
Cooling water loss 5,6 % Perte due à l’eau de refroidissement 5,6 %
Other loss 5,8 % Autre perte 5,8 %
Exhaust gas Gaz d’échappement
Figure 2 — Exemple de diagramme de flux d'énergie (diagramme de Sankey) d'un four industriel
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5.3 Outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle
Développé par le Department of Energy (États-Unis), le logiciel «Process Heating Assessment and Survey
[25]
Tool» (PHAST) (outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle) présente des
méthodes et des outils de surveillance des systèmes de production de chaleur industrielle pour améliorer
l'efficacité thermique des équipements de chauffage. Cet outil permet de surveiller les installations thermiques
industrielles utilisant des combustibles, de la vapeur ou de l'électricité, et d'identifier les équipements les plus
énergivores. Les utilisateurs peuvent également réaliser un bilan énergétique (thermique) sur des
équipements (fours) choisis afin d'identifier et de réduire l'utilisation d'énergie non-productive, comparer les
performances du four dans diverses conditions de fonctionnement et soumettre à essai des scénarios en
mode simulé.
La fonction de calcul de l’énergie thermique peut être utilisée comme un outil qui complète le calcul spécifié
dans la présente partie de l’ISO 13579 par exemple:
chaleur sensible du matériau (énergie efficace)
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13579-1
Première édition
2013-01-15
Fours industriels et équipements
associés — Méthode de mesure du bilan
énergétique et de calcul de l'efficacité —
Partie 1:
Méthode générale
Industrial furnaces and associated processing equipment — Method of
measuring energy balance and calculating efficiency —
Part 1: General methodology
Numéro de référence
©
ISO 2013
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos . v
Introduction . vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Termes relatifs au type d’énergie utilisé dans la présente partie de l’ISO 13579 . 1
4 Symboles . 5
5 Principes fondamentaux . 11
5.1 Généralités . 11
5.2 Diagramme de flux d'énergie . 12
5.3 Outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle . 14
6 Conditions fondamentales de mesure et de calcul . 14
6.1 État du four . 14
6.2 Durée de la mesure . 14
6.3 Unité de consommation spécifique d'énergie . 15
6.4 Conditions de référence . 15
6.5 Unité de quantité de gaz . 15
6.6 Combustible . 15
7 Type d’énergie évalué dans la présente partie de l’ISO 13579 et sa systématisation . 15
7.1 Généralités . 15
7.2 Bilan énergétique . 15
7.3 Bilan énergétique thermique . 18
7.4 Bilan énergétique de la production d’énergie électrique . 19
7.5 Énergie recyclée . 19
8 Méthodes de mesure . 19
8.1 Généralités . 19
8.2 Combustible . 20
8.3 Fluide d'atomisation . 20
8.4 Air de combustion et gaz d'échappement . 21
8.5 Gaz d’atmosphère contrôlée . 25
8.6 Produits et dispositifs/appareils pour la manutention des produits . 26
8.7 Température de surface du four . 26
8.8 Température de la paroi intérieure du four . 27
8.9 Pression intérieure du four . 27
8.10 Eau de refroidissement . 27
8.11 Équipements auxiliaires électriques . 27
8.12 Production d’utilités . 27
8.13 Énergie recyclée . 27
9 Calculs . 28
9.1 Dispositions générales . 28
9.2 Intrant énergétique total . 28
9.3 Extrant énergétique total . 32
9.4 Efficacité énergétique totale . 36
10 Rapport d’évaluation de bilan énergétique. 37
Annexe A (informative) Estimation de l’incertitude de l’efficacité énergétique totale . 39
Annexe B (informative) Méthode de mesure concernant les brûleurs régénératifs . 41
Annexe C (informative) Données de référence .42
Annexe D (informative) Calcul de l’humidité du combustible et de l’air .52
Annexe E (informative) Calculs de l’accumulation de chaleur par la paroi du four, du profil de
température de la paroi du four et de la perte de chaleur par la paroi du four dans les
processus en série des fours intermittents .53
Annexe F (informative) Calcul de la perte due aux parois et de la perte de chaleur due au gaz
dégagé lors de l’ouverture du four .59
Annexe G (informative) Calcul de l’énergie de transfert d’un fluide .63
Annexe H (informative) Exemple de fiche de bilan énergétique .66
Bibliographie .68
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 13579-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 244, Fours industriels et équipements associés.
L'ISO 13579 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Fours industriels et
équipements associés — Méthode de mesure du bilan énergétique et de calcul de l'efficacité:
Partie 1: Méthode générale
Partie 2: Fours de réchauffage pour acier
Partie 3: Fours dormants de fusion pour l’aluminium
Partie 4: Fours à atmosphère contrôlée ou active
Introduction
La prévention du réchauffement climatique est un problème important qui doit être résolu à l’échelle mondiale.
Cette situation exige un compromis délicat entre une réduction drastique de la consommation d’énergie et la
garantie, pour tout un chacun, d'un quotidien pratique et confortable.
Pour répondre à ces exigences, il est essentiel d’utiliser l’énergie de manière aussi efficace que possible.
Bien que les fours industriels jouent un rôle important dans la société moderne, ils consomment néanmoins
une grande quantité d’énergie. Afin de traiter les problèmes mentionnés ci-dessus, il est important:
d’élaborer une Norme internationale (c’est-à-dire la série ISO 13579), qui spécifie de manière raisonnable
l’efficacité énergétique des fours industriels,
de maîtriser la consommation d’énergie en utilisant les données de mesure recueillies sur la base de
l’ISO 13579 (toutes les parties), et
d’améliorer l’efficacité.
En outre, la présente partie de l’ISO 13579 peut être appliquée comme un guide impartial pour utiliser le
[24]
mécanisme de développement propre (MDP), créé dans le cadre du protocole de Kyoto pour la mise en
œuvre de mesures destinées à la prévention du réchauffement climatique.
Tous les calculs de l’ISO 13579 (toutes les parties) sont fondés sur l’emplacement de l’équipement dans les
conditions de référence.
NOTE Pour les équipements destinés à être installés au-dessus ou au-dessous du niveau de la mer, il est prévu de
calculer l’impact de l’altitude pour l’emplacement concerné.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13579-1:2013(F)
Fours industriels et équipements associés — Méthode de
mesure du bilan énergétique et de calcul de l'efficacité —
Partie 1:
Méthode générale
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 13579 spécifie une méthode générale pour mesurer le bilan énergétique et
calculer l’efficacité du processus appliqué aux fours industriels et leurs équipements associés conçus par les
fabricants de fours. La présente méthode générale comprend:
les méthodes de mesure;
les calculs (calcul général);
un rapport d’évaluation du bilan énergétique.
La présente partie de l’ISO 13579 ne s’applique pas aux rendements liés au processus proprement dit, en
dehors des fours industriels et de leurs équipements associés (par exemple dans un processus de laminage,
le four de réchauffage est la seule partie destinée à être couverte par la présente partie de l’ISO 13579).
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de manière normative dans le présent document
et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 13574, Fours industriels et équipements associés ― Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13574 ainsi que les
suivants s’appliquent.
3.1 Termes relatifs au type d’énergie utilisé dans la présente partie de l’ISO 13579
3.1.1 Intrant énergétique total
3.1.1.1
intrant énergétique total
E
intrant
intrant énergétique total mesuré introduit dans la zone concernée par la mesure du bilan énergétique et qui
est composé de l’énergie thermique équivalente et d’un autre intrant énergétique
3.1.2 Énergie combustible équivalente
3.1.2.1
énergie combustible équivalente
E
fe
cumul de l’énergie d’entrée composé du pouvoir calorifique du combustible, du pouvoir calorifique des
déchets, du pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère et de l’énergie combustible équivalente de
l’électricité
3.1.2.2
pouvoir calorifique du combustible
E
h,combustible
chaleur de combustion du combustible qui est consommé et utilisé pour chauffer des produits dans la zone de
bilan énergétique
3.1.2.3
pouvoir calorifique des déchets
E
h,déchets
pouvoir calorifique des déchets introduits avec les produits dans la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Résidus d’huile sur des copeaux d’aluminium.
3.1.2.4
pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère
E
fe,atm,cal
pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère utilisé comme atmosphère contrôlée ou active
3.1.2.5
énergie combustible équivalente de l’électricité
E
fe,él
énergie combustible équivalente de l’électricité convertie à partir de chaque consommation d’énergie
électrique dans la zone de bilan énergétique
3.1.3 Autre intrant énergétique
3.1.3.1
autre intrant énergétique
E
autres
énergie comprenant la chaleur sensible du combustible, la chaleur sensible de l’air de combustion ou d’un
autre oxydant, la chaleur sensible du fluide d’atomisation pour le combustible liquide, la chaleur de réaction et
la chaleur sensible de l’air d’infiltration
3.1.3.2
chaleur de réaction
E
réact
chaleur produite par la réaction d'oxydation de produits dans la zone de mesure du bilan énergétique
EXEMPLE Formation de calamine de produits en acier pendant la réaction d'oxydation.
3.1.3.3
chaleur sensible de l’air d’infiltration
E
s,infilt
chaleur sensible de l'air qui s'infiltre dans le four par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée/de sortie ou des
interstices dans les systèmes de fonctionnement du four
NOTE 1 à l'article Ce terme peut être remplacé par «chaleur sensible de l'air faux».
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3.1.4 Extrant énergétique total
3.1.4.1
extrant énergétique total
E
extrant
extrant énergétique mesuré total émis par ou consommé dans la zone de bilan énergétique, qui est composé
de l’extrant énergétique thermique, de l’énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques, de
l’énergie utilisée pour la production d’utilité et de la perte due à la production d'énergie électrique
3.1.5 Extrant énergétique thermique
3.1.5.1
extrant énergétique thermique
E
extrant, therm
cumul de l’énergie thermique émise à partir de la zone de bilan énergétique
NOTE 1 à l'article L'extrant énergétique thermique est composé de l’énergie définie en 3.1.5.2 à 3.1.5.13.
3.1.5.2
énergie efficace
E
efficace
enthalpie emmagasinée dans les produits dans la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.3
perte due aux dispositifs
E
l,dispositif
enthalpie emmagasinée par les dispositifs de manutention des produits dans la zone de mesure du bilan
énergétique
3.1.5.4
chaleur sensible de la substance oxydée
E
l,oxyd
chaleur sensible des substances ayant réagi avec l'oxygène, formées lors du processus thermique issu de la
zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.5
chaleur sensible des gaz d’échappement
E
échappement
chaleur sensible du gaz d’échappement émis à partir de la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.6
perte de chaleur accumulée par un four intermittent
E
l,accumulée
chaleur sensible emmagasinée par les réfractaires du four au cours d’un cycle de fonctionnement du four
intermittent
3.1.5.7
perte de chaleur sensible du gaz d’atmosphère
E
s,atm
chaleur sensible emmagasinée par le gaz d’atmosphère du procédé thermique à travers la zone de bilan
thermique
3.1.5.8
perte due aux parois
E
l,paroi
énergie thermique émise par la surface des fours industriels par rayonnement et convection
3.1.5.9
perte de chaleur due à l’échappement de gaz par l’ouverture du four
E
l,gaz dégagé
chaleur sensible du dégagement de gaz émis par l’ouverture du four
3.1.5.10
perte de chaleur par rayonnement par l’ouverture du four
E
l,ouverture
énergie thermique par rayonnement émise par l’ouverture du four
3.1.5.11
perte de chaleur émise par des parties installées à travers la paroi du four
E
l,parties
énergie thermique émise par des parties installées à travers la paroi du four
EXEMPLE Comme dans le cas d'une sole à rouleaux.
3.1.5.12
perte due à l’eau de refroidissement
E
l,cw
énergie thermique transférée par l'eau de refroidissement hors de la zone de mesure du bilan énergétique
3.1.5.13
autres pertes
E
l,autres
pertes d'énergie thermique non mesurées de la zone de bilan thermique
3.1.6 Énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques
3.1.6.1
énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques
E
aux
énergie utilisée dans les équipements auxiliaires électriques, qui est composée de l'énergie consommée dans
les équipements auxiliaires électriques installés et de l’énergie utilisée pour le transfert de fluide
3.1.6.2
énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques installés
E
aux,installés
énergie totale cumulée utilisée dans les équipements auxiliaires électriques installés (par exemple ventilateurs,
pompes) implantés dans la zone de bilan énergétique
3.1.6.3
énergie utilisée pour le transfert de fluide
E
aux,fluide
énergie cumulée pour le transfert de fluide, calculée à partir de la propriété du fluide
EXEMPLE Pour l'eau de refroidissement, le combustible, etc.
3.1.7 Énergie utilisée pour la production d'utilités
3.1.7.1
utilité
service autre que la fourniture de combustible et d’électricité dans la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Oxygène, vapeur et gaz d’atmosphère.
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3.1.7.2
énergie utilisée pour la production d’utilités
E
utilités
énergie cumulée pour la production des utilités utilisées dans la zone de bilan énergétique
3.1.8 Perte due à la production d’énergie électrique
3.1.8.1
perte due à la production d’énergie électrique
E
l,eg
perte d’énergie inhérente à la production d’énergie électrique qui est calculée à partir de l’énergie combustible
équivalente et de l’énergie électrique consommée totale
3.1.9 Bilan énergétique thermique
3.1.9.1
apport d’énergie thermique à partir d’une source de chauffage électrique
énergie thermique entrant dans le processus à partir d’une source de chauffage électrique, telle qu’un
équipement de chauffage électrique, émise dans la zone de bilan énergétique
3.1.9.2
chaleur de circulation
chaleur circulant dans un équipement ou un système installé dans la zone de bilan énergétique
3.1.10 Bilan énergétique de la production d’énergie électrique
3.1.10.1
énergie électrique totale consommée
E
e,totale
cumul de l’énergie électrique consommée dans la zone de bilan énergétique, égale à la somme de l’apport
d’énergie thermique à partir d’une source de chauffage électrique, de l’énergie consommée dans les
équipements auxiliaires électriques et de l'énergie électrique utilisée pour la production d'utilités
3.1.10.2
énergie électrique utilisée pour la production d’utilités
E
e,utilités
cumul de l’énergie électrique consommée pour la production d’utilités (par exemple production d’oxygène)
utilisée dans la zone de bilan énergétique
3.1.11 Énergie recyclée
3.1.11.1
énergie recyclée
E
ré
énergie récupérée à partir de l’énergie thermique perdue par la zone de bilan énergétique
EXEMPLE Énergie réutilisée dans une chaudière de récupération.
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles suivants s’appliquent.
NOTE 1 Les tonnes utilisées sont des tonnes métriques.
NOTE 2 Pour l’unité de volume de gaz, voir 6.5.
Symbole Signification Unité
A volume d’air de combustion fourni par tonne de produits m (n)/t
A volume théorique d’air de combustion requis par quantité unitaire de m (n)/kg ou
3 3
combustible m (n)/m (n)
C conductivité thermique du matériau de la sole W/mK
c chaleur massique moyenne du gaz d’atmosphère entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm1 atm1
c chaleur massique moyenne du gaz d’atmosphère entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,atm2 atm2
c chaleur massique moyenne des dispositifs/appareils entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j1 j1
c chaleur massique moyenne des dispositifs/appareils entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,j2 j2
c chaleur massique moyenne du gaz d’échappement entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,E E
c chaleur massique moyenne de l’air de combustion entre la température kJ/(m (n)·K)
pm,a
ambiante et 273,15 K
c chaleur massique moyenne de l’air de combustion entre sa température kJ/(kg·K) ou
pm,a1
spécifiée et 273,15 K kJ/m (n)·K
c chaleur massique moyenne du combustible entre sa température prévue et kJ/(kg·K) ou
pm,f1
273,15 K kJ/m (n)·K
c chaleur massique moyenne du gaz dégagé entre T et 273,15 K kJ/m (n)·K
pm,gf gf
c chaleur massique moyenne des produits entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p1 p1
c chaleur massique moyenne des produits entre T et 273,15 K kJ/(kg·K)
pm,p2 p2
c chaleur massique moyenne du réfractaire de chaque couche kJ/(kg·K)
pm,ri
E énergie consommée dans les équipements auxiliaires électriques par tonne kJ/t
aux
de produits
E cumul de l’énergie utilisée pour le transfert de fluide par tonne de produits kJ/t
aux,fluide
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les soufflantes par tonne de kJ/t
aux,fluide,souff
produits
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les compresseurs par tonne de kJ/t
aux,fluide,comp
produits
E énergie utilisée pour le transfert de fluide par les soufflantes par tonne de kJ/t
aux,fluide,pompe
produits
E cumul de l’énergie utilisée dans les équipements auxiliaires électriques kJ/t
aux,installés
installés par tonne de produits
E énergie consommée pour la production d’utilité par tonne de produits kJ/t
e,utilité
E énergie efficace par tonne de produits kJ/t
efficace
E chaleur sensible du gaz d’échappement par tonne de produits kJ/t
échappement
E énergie thermique équivalente de l’électricité par tonne de produits kJ/t
fe
E pouvoir calorifique du gaz source du gaz d’atmosphère par tonne de produits kJ/t
fe,atm,cal
E énergie thermique équivalente par tonne de produits kJ/t
fe,él
E pouvoir calorifique du combustible par tonne de produits kJ/t
h,combustible
E pouvoir calorifique des déchets par tonne de produits kJ/t
h,déchets
E intrant énergétique total par tonne de produits kJ/t
intrant
E perte de chaleur due à l’échappement de gaz par l’ouverture du four par kJ/t
l,soufflante
tonne de produits
E perte due à l’eau de refroidissement par tonne de produits kJ/t
l,cw
E perte d’énergie lors de la production d’énergie électrique kJ/t
l,eg
E perte due aux dispositifs par tonne de produits kJ/t
l,dispositif
E perte de chaleur par rayonnement par l’ouverture du four par tonne de kJ/t
l,ouverture
produits
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Symbole Signification Unité
E autres pertes par tonne de produits kJ/t
l,autres
E perte de chaleur émise par les parties à travers la paroi du four kJ/t
l,parties
E perte de chaleur accumulée par un four à fonctionnement intermittent par kJ/t
l,accumulée
tonne de produits
E perte de chaleur accumulée par le four à fonctionnement intermittent par kJ/m
l,accumulée
mètre carré de paroi du four
E perte due aux parois par tonne de produits kJ/t
l,paroi
E perte par la paroi et les carneaux de fumée du four par tonne de produits kJ/t
l,paroi,1
E perte due à la sole par tonne de produits kJ/t
l,paroi,2
E autre intrant énergétique par tonne de produits kJ/t
autres
E extrant énergétique total par tonne de produits kJ/t
extrant
E chaleur sensible (ou enthalpie) des produits au moment où les produits sont kJ/t
p1
chargés dans la zone de bilan thermique par tonne de produits
E chaleur sensible (ou enthalpie) des produits au moment où les produits sont kJ/t
p2
extraits de la zone de bilan thermique par tonne de produits
E chaleur de réaction par tonne de produits kJ/t
réact
E énergie récupérée à partir de l’énergie thermique perdue par tonne de kJ/t
ré
produits
E chaleur sensible de l’air de combustion ou autre oxydant par tonne de kJ/t
s,air
produits
E perte de chaleur sensible du gaz d’atmosphère par tonne de produits kJ/t
s,atm
E chaleur sensible du fluide d’atomisation par tonne de produits kJ/t
s,atomis
E chaleur sensible du combustible par tonne de produits kJ/t
s,combustible
E chaleur sensible de l’air d’infiltration par tonne de produits kJ/t
s,infilt
E chaleur sensible de la substance oxydée par tonne de produits kJ/t
s,oxyd
E énergie thermique (sortie) par tonne de produits kJ/t
extrant,therm
E énergie thermique utilisée pour la production d’utilités par tonne de produits kJ/t
utilité
E énergie utilisée pour la production de gaz d’atmosphère par tonne de kJ/t
u,atm,prod
produits
E pouvoir calorifique du gaz source de gaz d’atmosphère par tonne de produits kJ/t
u,atm,cal
E énergie consommée pour la production d’oxygène par tonne de produits kJ/t
u,oxy
E énergie consommée pour la production de vapeur tonne de produits kJ/t
u,vapeur
G volume théorique du gaz d’échappement par quantité unitaire de combustible m (n)/kg ou
3 3
m (n)/m (n)
G' volume théorique du gaz d’échappement sec par quantité unitaire de m (n)/kg ou
3 3
combustible m (n)/ m (n)
H hauteur d’élévation nette de la pompe M
d
H pouvoir calorifique inférieur du composant j du combustible gazeux kJ/m (n)
j
H pouvoir calorifique supérieur par quantité unitaire de combustible J/kg ou kJ/m3(n)
h
H pouvoir calorifique inférieur par quantité unitaire de combustible J/kg ou kJ/ m3(n)
l
H pouvoir calorifique inférieur de gaz source kJ/m (n)
l,gaz,source
H Accumulation de chaleur par les réfractaires du four multicouche par m² kJ/m
paroi
h coefficient de transmission thermique par convection W/m K
c0
h enthalpie du fluide d’atomisation à la température de référence kJ/kg
K conductivité thermique des parties du four installé, à travers la paroi du four W/mK
parties
Symbole Signification Unité
L puissance théorique du compresseur kW
th
l l l épaisseur de chaque couche réfractaire M
1, 2, 3
l dimension intérieure entre les parois latérales du four M
iw
l épaisseur de la paroi du four M
w
M masse des dispositifs/appareils par tonne de produits kg/t
j
M masse de perte par tonne de produits kg/t
perte
M masse de produits kg ou t
p
m rapport d’excès d’air de combustion —
P pression absolue du fluide à l’entrée du four MPa
d
P pression statique à l’entrée kPa
h
P pression absolue de l’atmosphère MPa
s
P pression de vapeur d’eau saturante Pa
sf
P pression absolue du combustible/air Pa
f
p pression statique du fluide mesurée à l’entrée des fours kPa
h
différence de pression aux ouvertures Pa
po
Q puissance de la soufflante kW
soufflante
Q puissance de la pompe kW
pompes
Q puissance du compresseur kW
comp
Q puissance électrique consommée dans chaque équipement auxiliaire kW
aux,installés
électrique installé, mesurée par tonne de produits
Q puissance électrique utilisée pour le transfert de fluide par tonne de produits kW
aux,fluide
q flux de chaleur par convection W/m
c
q flux d’énergie émis par la surface du four W/m
e
q perte d’énergie thermique par la sole W/m
h
q flux de chaleur par rayonnement W/m
r
q flux d’énergie à travers les réfractaires du four W/m
t
R débit du fluide dans les conditions de l’atmosphère m (n)/min
f
R chaleur latente de vapeur d’eau kJ/kg
r débit du fluide mesuré à l’entrée des fours m /min
f
S superficie du four m
surface
S superficie de la sole du four m
sole
S surface des ouvertures m
ouverture
S section des parties du four traversant la paroi du four m
parties
T température ambiante K
a
T température prévue de l’air de combustion K
a1
T température prévue du gaz d’atmosphère K
atm1
T température du gaz d’atmosphère émis K
atm2
T température maximale des gaz d’échappement issus des brûleurs K
E,max i
régénératifs au cours d'un cycle
T température minimale des gaz d’échappement issus des brûleurs au cours K
E,min
d’un cycle
T température moyenne des gaz d’échappement K
E
T température du combustible prévue K
f1
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Symbole Signification Unité
T température du gaz dégagé K
gf
T température de surface de la sole K
h
T température des dispositifs/appareils au moment du chargement dans la K
j1
zone de bilan énergétique
T température des dispositifs/appareils au moment de l’extraction dans la zone K
j2
de bilan énergétique
T température moyenne des produits au moment du chargement dans la zone K
p1
de bilan énergétique
T température moyenne des produits au moment de l’extraction dans la zone K
p2
de bilan énergétique
T température de la surface de la paroi du four K
w
T température de l’eau de refroidissement au niveau de son orifice de sortie K
eau sortie
T température de l’eau de refroidissement au niveau de son orifice d’entrée K
eau entrée
T température de la partie interne du four K
z
t temps d’ouverture (par exemple porte de chargement/déchargement) par h/t
ouverture
tonne de produits
t temps requis pour traiter une tonne de produits h/t
p
T , T température limite des réfractaires K
r1 r2
U vitesse moyenne du fluide, mesurée au point d’alimentation m/s
V volume du gaz d’atmosphère prévu par tonne de produits m (n)/t
atm
V masse de fluide d’atomisation prévue par tonne de produits kg/t
atomis
V quantité d’eau de refroidissement par tonne de produits kg/t
cw
V quantité de combustible consommée par tonne de produits kg/t
f
m3(n)/t
V volume de gaz dégagé par heure m /h
gf
V volume d’air d’infiltration prévu par tonne de produits m (n)/t
infilt
V volume d’air de combustion mesurée par tonne de produits m (n)/t
me
V quantité d’oxygène utilisée par tonne de produits m (n)/t
oxy
V volume de gaz source du gaz d’atmosphère utilisé par tonne de produits m (n)/t
gaz source
x fraction volumique du composant j du combustible gazeux —
j
z profondeur par rapport à la surface de l’eau m
fraction volumique de l’hydrogène contenu dans le combustible gazeux —
H
fraction volumique de l’azote contenu dans le combustible gazeux —
N
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le combustible gazeux —
O
fraction volumique de l’eau contenue dans le combustible gazeux —
H O
fraction volumique du monoxyde de carbone contenu dans le combustible —
CO
gazeux
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le combustible —
CO
gazeux
fraction volumique de l’hydrocarbure contenu dans le combustible gazeux —
C H
x y
fraction volumique de sulfure de l’hydrogène contenu dans le combustible —
H S
gazeux
w fraction massique du carbone contenu dans le combustible liquide —
C
w fraction massique de l’hydrogène contenu dans le combustible liquide —
H
w fraction massique de l’oxygène contenu dans le combustible liquide —
O
Symbole Signification Unité
w fraction massique du soufre contenu dans le combustible liquide —
S
w fraction massique d’eau contenue dans le combustible liquide —
W
fraction volumique de l’azote contenu dans l’air de combustion —
(N )
fraction volumique de l’oxygène contenu dans l’air de combustion —
(O )
fraction volumique de l’eau contenue dans l’air de combustion —
(H O)
fraction volumique de l’azote contenu dans le gaz d’échappement sec —
[N ]
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le gaz d’échappement sec —
[O ]
fraction volumique du monoxyde de carbone contenu dans le gaz —
[CO]
d’échappement sec
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le gaz —
[CO ]
d’échappement sec
fraction volumique maximale du dioxyde de carbone contenu dans le gaz —
[CO ]max
d’échappement
fraction volumique de l’azote contenu dans le gaz d’échappement sec par m (n)/kg
quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/m (n)
combustible
fraction volumique de l’oxygène contenu dans le gaz d’échappement sec par m (n)/kg
O
quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/m (n)
combustible
fraction volumique de l’eau contenue dans le gaz d’échappement sec par m (n)/kg
HO
quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/ m (n)
combustible
fraction volumique du dioxyde de carbone contenu dans le gaz m (n)/kg
CO
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/ m (n)
combustible
fraction volumique du dioxyde de soufre contenu dans le gaz d’échappement m (n)/kg
SO
sec par quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/ m (n)
combustible
fraction volumique du sulfure d’hydrogène contenu dans le gaz m (n)/kg
HS
d’échappement sec par quantité unitaire de combustible combustible ou
3 3
m (n)/ m (n)
combustible
coefficient de frottement —
f
coefficient déterminé par la forme de la sole —
sole
tolérance des machines —
m
coefficient déterminé par la forme des ouvertures —
ouverture
taux de consommation d’énergie en production pour 1m normal d’oxygène kWh/m (n)
oxy
émissivité de la surface du four —
coefficient of déterminé à partir de la forme des ouvertures du four —
efficacité énergétique totale —
rendement adiabatique totale du compresseur —
c
efficacité de la production électrique régionale —
e
rendement de la pompe —
p
rendement adiabatique totale du compresseur —
t
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Symbole Signification Unité
rendement en pression statique de la soufflante —
s
rapport de chaleur massique du fluide —
conductivité thermique des réfractaires du four W/mK
, , masse volumique de chaque couche de réfractaire kg/m
1 2 3
masse volumique du fluide kg/m
f
constante de Stephen-Boltzmann kJ/m h K
humidité relative —
f
5 Principes fondamentaux
5.1 Généralités
La zone de mesure du bilan énergétique doit être déterminée.
NOTE La Figure 1 illustre un exemple de détermination de la zone de mesure du bilan énergétique.
Les aspects suivants doivent être inclus dans la mesure du bilan énergétique:
a) intrant énergétique:
énergie thermique équivalente du combustible, E ;
fe
autre intrant énergétique, E ;
autres
b) extrant énergétique:
extrant énergétique thermique, E ;
extrant,therm
énergie utilisée dans les équipements auxiliaires électriques, E ;
aux
énergie utilisée pour la production des utilités, E ;
utilités
perte de production d’électricité, E .
l,eg
Déterminer l’intrant énergétique et l’extrant énergétique entrant et sortant de la zone de bilan énergétique sur
la base des données de mesure.
L’intrant énergétique total entrant dans la zone doit compenser l’extrant énergétique total sortant de la zone.
Le résultat de la mesure du bilan énergétique doit être exprimé de manière succincte en termes d'intrant
énergétique et d’extrant énergétique dans une fiche de bilan énergétique contenant les informations
nécessaires, telles que le récapitulatif des équipements, les conditions de mesure et les données de mesure.
Il est possible de créer des sous-catégories pour exprimer le bilan énergétique thermique et la production
d'énergie électrique (voir 7.3 et 7.4).
Légende
1 zone de bilan énergétique
2 four
3 brûleur
4 échangeur thermique
5 production d’énergie électrique
6 équipement auxiliaire électrique
7 production d’utilités
8 chauffage électrique
a
Pouvoir calorifique, E , et chaleur sensible du combustible, E .
h,combustible s,combustible
b
Chaleur sensible de l’air de combustion, E .
s,air
c
Chaleur sensible du gaz d’échappement, E .
échappement
d
Intrant d’énergie thermique telle que la chaleur de réaction, E , et chaleur sensible à l’air d’infiltration E .
réact s,infilt
e
Extrant d’énergie thermique telle que l’énergie efficace, E et les pertes de chaleur.
efficace
f
Chaleur de circulation plus chaleur sensible à l’air de combustion.
g
Apport d’énergie thermique par les sources de chaleur électriques.
h
Énergie thermique équivalente d’électricité, E .
fe,él
I
Perte due à la production d’énergie électrique, E .
l,eg
j
Consommation d’énergie électrique dans les équipements auxiliaires électriques, E .
aux
k
Consommation d’énergie électrique pour la production d’utilités, E .
u,atm,prod
Figure 1 — Exemple de détermination de la zone de mesure du bilan énergétique
5.2 Diagramme de flux d'énergie
Le diagramme de flux d'énergie est un outil permettant de représenter le flux d’entrée et de sortie de l’énergie
(voir Figure 2).
NOTE Le diagramme de flux d'énergie est également connu sous le nom de diagramme de Sankey.
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Total energy input Intrant énergétique total
Fuel equivalent energy Énergie thermique équivalente du combustible
Other energy Autre énergie
Fuel equivalent energy of electricity 60,8 % Énergie combustible fossile équivalente à l’électricité 60,8 %
Electrical generation Production d’énergie électrique
Fuel 35,0 % Combustible 35,0 %
Electrical heat source 18,3 % Source de chaleur électrique 18,3 %
Thermal energy balance (furnace process) Bilan énergétique thermique (procédé du four)
Recuperator Récupérateur
Circulating heat Recirculation de chaleur
Sensible heat of combustible Chaleur sensible du combustible
Sensible heat of combustion air 0,3 % Chaleur sensible de l’air de combustion 0,3 %
Total energy output Extrant énergétique total
Calorific value of atmosphere source gas 3,9 % Pouvoir calorifique du gaz source d’atmosphère 3,9 %
Electrical generation 38,8 % Production d’énergie électrique 38,8 %
Transferring fluid 7,2 % Transfert de fluide 7,2 %
Electrical equipment 2,6% Équipements électriques 2,6 %
Effective energy 17,3 % Énergie efficace 17,3 %
Jig loss 5,8 % Perte due aux dispositifs 5,8 %
Wall loss 8,4 % Perte due aux parois 8,4 %
Cooling water loss 5,6 % Perte due à l’eau de refroidissement 5,6 %
Other loss 5,8 % Autre perte 5,8 %
Exhaust gas Gaz d’échappement
Figure 2 — Exemple de diagramme de flux d'énergie (diagramme de Sankey) d'un four industriel
5.3 Outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle
Développé par le Department of Energy (États-Unis), le logiciel «Process Heating Assessment and Survey
[25]
Tool» (PHAST) (outil de surveillance et d'évaluation de la production de chaleur industrielle) présente des
méthodes et des outils de surveillance des systèmes de production de chaleur industrielle pour améliorer
l'efficacité thermique des équipements de chauffage. Cet outil permet de surveiller les installations thermiques
industrielles utilisant des combustibles, de la vapeur ou de l'électricité, et d'identifier les équipements les plus
énergivores. Les utilisateurs peuvent également réaliser un bilan énergétique (thermique) sur des
équipements (fours) choisis afin d'identifier et de réduire l'utilisation d'énergie non-productive, comparer les
performances du four dans diverses conditions de fonctionnement et soumettre à essai des scénarios en
mode simulé.
La fonction de calcul de l’énergie thermique peut être utilisée comme un outil qui complète le calcul spécifié
dans la présente partie de l’ISO 13579 par exemple:
chaleur sensible du matériau (énergie efficace);
perte due aux dispositifs;
calculs liés à la combustion;
chaleur sensible du gaz d’atmosphère;
perte par les parois;
perte de chaleur par rayonnement lors de l’ouverture du four;
perte par l’eau de refroidissement;
pertes dues au gaz d’échappement.
6 Conditions fondamentales de mesure et de calcul
6.1 État du four
Les fours soumis aux mesures doivent fonctionner dans les conditions normales et
dans le cas des fours à fonctionnement continu, la température et la production doivent correspondre au
régime permanent considéré dans le calcul de conception, et
dans le cas des fours intermittents, le cycle de température et la production doivent être tels que définis
dans le calcul de conception.
Les conditions normales de fonctionnement sont généralement basées sur les conditions nominales stipulées
dans la spécification. Cependant, si aucune condition n'est spécifiée, le fournisseur peut en définir, par
exemple deux-tiers de la production nominale.
6.2 Durée de la mesure
Dans le cas des fours à fonctionnement continu, il
...
Questions, Comments and Discussion
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