Flash steam

Les avantages de la récupération du flash steam, comment elle est réalisée et comment le flash steam peut être appliqué ailleurs dans l’installation pour maximiser l’efficacité globale.

Qu’est-ce que le flash steam et pourquoi doit-il être utilisé ?

Le « flash steam » est libéré du condensat chaud lorsque sa pression est réduite. Même de l’eau à une température ambiante de 20°C bouillirait si sa pression était suffisamment abaissée. Il convient de noter que l’eau à 170°C bouillira à toute pression inférieure à 6,9 bar g. La vapeur libérée par le processus de détente est aussi utile que la vapeur libérée d’une chaudière à vapeur. En exemple, lorsque la vapeur est prélevée d’une chaudière et que la pression de la chaudière baisse, une partie du contenu en eau de la chaudière se détendra pour compléter la vapeur « vive » produite par la chaleur du combustible de la chaudière. Comme les deux types de vapeur sont produits dans la chaudière, il est impossible de les différencier. Ce n’est que lorsque la détente se produit à relativement basse pression, comme du côté de la décharge des steam traps, que le terme flash steam est largement utilisé. Malheureusement, cette utilisation a conduit à la conclusion erronée que le flash steam est d’une certaine manière moins précieux que la vapeur dite vive. Dans tout système de vapeur cherchant à maximiser l’efficacité, le flash steam sera séparé du condensat et utilisé pour compléter toute application de chauffage à basse pression. Chaque kilogramme de flash steam utilisé de cette manière est un kilogramme de vapeur qui n’a pas besoin d’être fourni par la chaudière. C’est aussi un kilogramme de vapeur non rejeté à l’atmosphère, d’où il serait autrement perdu. Les raisons de la récupération du flash steam sont tout aussi convaincantes, tant sur le plan économique qu’environnemental, que les raisons de récupérer le condensat. Quelle quantité de flash steam est disponible ? Si le flash steam doit être utilisé, il est utile de savoir quelle quantité sera disponible. La quantité est facilement déterminée par calcul, ou peut être lue à partir de tableaux ou de graphiques simples. Exemple 14.6.1 - Considérons le récipient à chemise montré dans la Figure 14.6.1 Le condensat entre dans le steam trap sous forme d’eau saturée, à une pression manométrique de 7 bar g et une température de 170°C. La quantité spécifique de chaleur dans le condensat à cette pression est de 721 kJ/kg. Après avoir traversé le steam trap, la pression dans la conduite de retour du condensat est de 0 bar g. À cette pression, la quantité maximale de chaleur que chaque kilogramme de condensat peut retenir est de 419 kJ et la température maximale est de 100°C. Il y a un excès de 302 kJ de chaleur qui évapore une partie du condensat en vapeur. La quantité de vapeur est calculée dans le texte suivant.

La chaleur nécessaire pour produire 1 kg de vapeur saturée à partir d’eau à la même température, à 0 bar manométrique, est de 2257 kJ. Une quantité de 302 kJ peut donc évaporer :

À partir de chaque kilogramme de condensat dans cet exemple, la proportion de flash steam générée est donc égale à 13,4% de la masse initiale du condensat.

Si l’équipement utilisant de la vapeur à 7 bar g condensait 250 kg/h, alors la quantité de flash steam libérée par le condensat à 0 bar g serait : 0,134 x 250 kg/h de condensat = 33,5 kg/h de flash steam Alternativement, le graphique de la Figure 14.6.2 peut être lu directement pour les pressions modérées et basses rencontrées dans de nombreuses installations. L’exemple montré dans la Figure 14.6.1 est représenté dans la Figure 14.6.2 et montre que 0,134 kg de flash steam est produit par kg de condensat traversant le trap.

Condensat sous-refroidi Si le steam trap est de type thermostatic, le condensat déchargé est sous-refroidi en dessous de la température de saturation. La chaleur dans le condensat plus froid sera légèrement inférieure, et la quantité de flash steam produite serait moindre. Si le trap de l’Exemple 14.6.1 déchargeait du condensat à 15°C en dessous de la température de saturation de la vapeur, alors la chaleur disponible dans le condensat serait moindre. Exemple 14.6.2 Considérons un condensat se déchargeant à 7 bar g et avec 15°C de sous-refroidissement

Par conséquent, dans cet exemple, un condensat se déchargeant à une température inférieure à la température de saturation a réduit la proportion de flash steam de 13,4% à 10,4%. Condensat sous pression Exemple 14.6.3 Considérons le condensat de l’Exemple 14.6.1 se déchargeant dans un flash vessel pressurisé à 1 bar g Si la conduite de retour était connectée à un récipient à une pression de 1 bar g, alors on pourrait voir dans les tables de vapeur que la chaleur maximale dans le condensat à la décharge du trap serait de 505 kJ/kg et l’enthalpie d’évaporation à 1 bar g serait de 2201 kJ/kg. La proportion du condensat se détendant à 1 bar g peut alors être calculée comme suit :

Dans cet exemple, si l’équipement utilisant de la vapeur à 7 bar g condensait 250 kg/h de vapeur, alors la quantité de flash steam libérée par le condensat à 1 bar g serait de 0,098 x 250 kg/h = 24,5 kg/h de flash steam.

Par conséquent, la quantité de flash steam produite peut dépendre du type de steam trap utilisé, de la pression de vapeur avant le trap, et de la pression du condensat après le trap.

Le récipient de récupération du flash steam (flash vessel)

Les flash vessels sont utilisés pour séparer le flash steam conformément à la Directive européenne sur les équipements sous pression 97/23/CE. Après que le condensat et le flash steam entrent dans le flash vessel, le condensat tombe par gravité à la base du récipient, d’où il est évacué, via un trap à flotteur, généralement vers un récepteur à atmosphère ouverte à partir duquel il peut être pompé. Le flash steam dans le récipient est conduit depuis le haut du récipient vers tout équipement de vapeur basse pression approprié.

Dimensionnement des récipients de récupération du flash steam

Pour dimensionner un flash vessel, les informations suivantes sont requises :

• La pression de vapeur avant les steam traps alimentant le récipient.
• Le débit total de condensat dans le flash vessel.
• La pression du flash steam dans le flash vessel. En utilisant ces informations, avec un tableau de dimensionnement de flash vessel (voir Figure 14.6.4), la taille du récipient peut être déterminée. L’Exemple 14.6.4 démontre le dimensionnement d’un flash vessel, en utilisant un graphique. Exemple 14.6.4 Déterminer la taille d’un flash vessel adaptée aux conditions suivantes : La pression sur les steam traps est de 12 bar g avec un débit total de condensat de 2500 kg/h. Le flash steam du récipient doit alimenter un équipement utilisant de la vapeur basse pression à 1 bar g. Méthode :

1. Depuis l’axe « Pression sur les steam traps » à 12 bar g, se déplacer horizontalement jusqu’à la courbe de pression de flash steam de 1 bar g au point A.
2. Descendre verticalement jusqu’au niveau de débit de condensat de 2500 kg/h, point B, et suivre la ligne courbe jusqu’au point C.
3. Se déplacer à droite depuis le point C pour rencontrer la ligne de flash de 1 bar g au point D.
4. Monter vers la taille du flash vessel et sélectionner le récipient. Pour cet exemple, un flash vessel FV8 serait sélectionné.

Conditions requises pour des applications réussies de flash steam

• Si le flash steam doit être pleinement utilisé, certaines conditions de base doivent être satisfaites :
• Il est essentiel d’avoir un approvisionnement continu en condensat suffisant provenant d’applications fonctionnant à des pressions plus élevées, pour s’assurer qu’assez de flash steam peut être libéré pour une récupération économique.
• Les steam traps et l’équipement qu’ils drainent doivent être capables de fonctionner de manière satisfaisante contre la contre-pression appliquée par le système de flash steam.
• La prudence est de mise lors de la tentative de récupération du flash steam avec du condensat provenant d’équipements à régulation de température. À charge inférieure à la pleine charge, la pression dans l’espace vapeur sera abaissée par l’action de fermeture de la control valve de vapeur. Si la pression de vapeur dans l’équipement approche ou descend en dessous de la pression de flash steam spécifiée, la quantité globale de flash steam formée sera marginale, et il faut se demander si la récupération est justifiée dans ce cas.
• Il est important qu’il y ait une demande de flash steam basse pression qui soit soit égale, soit supérieure au flash steam produit. Tout déficit de flash steam peut être comblé par de la vapeur vive provenant d’un détendeur. Si l’offre de flash steam dépasse sa demande, une pression excédentaire sera créée dans le système de distribution de flash steam, qui devra alors être évacuée par une soupape d’excédent.
• Il est possible d’utiliser le flash steam du condensat sur une installation de chauffage des locaux - mais les économies ne seront réalisées que pendant la saison de chauffage. Lorsque le chauffage n’est pas nécessaire, le système de récupération devient inefficace. Dans la mesure du meilleur arrangement possible, il faut utiliser le flash steam du condensat de processus pour alimenter les charges de processus - et le flash steam du condensat de chauffage pour alimenter les charges de chauffage. L’offre et la demande sont alors plus susceptibles de rester synchronisées.
• Il est préférable d’utiliser réellement le flash steam près de la source de condensat haute pression. Des tuyaux de diamètre relativement grand sont utilisés pour la vapeur basse pression, pour réduire la perte de charge et la vitesse, ce qui peut signifier une installation coûteuse si le flash steam doit être conduit sur une longue distance.

Contrôle de la pression du flash steam

• Une autre considération est une méthode de contrôle de la pression du flash steam.
• Dans certains cas, la pression de flash trouvera son propre niveau et rien de plus n’est à faire. Lorsque l’offre et la demande sont toujours synchronisées, et en particulier si la vapeur basse pression est utilisée sur le même équipement produisant le condensat haute pression, il est seulement nécessaire de conduire le flash steam vers l’installation basse pression sans aucun autre contrôle.
• La Figure 14.6.5 montre l’application de la récupération du flash steam à une batterie de chauffage d’air multi-bancs, qui fournit de l’air à haute température à un processus. Le condensat des sections haute pression est envoyé au flash vessel, d’où le flash steam basse pression est utilisé pour préchauffer l’air froid entrant dans la batterie via le serpentin de dégivrage (préchauffeur). La surface de la section du préchauffeur, et la température relativement basse de l’air entrant, signifieront que le flash steam basse pression se condense facilement.

Selon les températures de fonctionnement, le flash steam se condensera à une certaine basse pression, peut-être même sous-atmosphérique. Si les conditions du site et le plan d’implantation le permettent, le flash vessel et le steam trap drainant le préchauffeur doivent être situés suffisamment en dessous de la sortie de condensat du préchauffeur pour donner assez de charge hydrostatique pour pousser le condensat à travers le trap. Si cela n’est pas possible, des traps à pompage peuvent être utilisés pour drainer à la fois le serpentin du préchauffeur et le flash vessel.

La vapeur se condensant dans le préchauffeur à une pression sous-atmosphérique signifiera généralement qu’un coupe-vide est requis sur l’alimentation en flash steam du préchauffeur. Cela empêchera la pression dans la batterie de devenir sous-atmosphérique, aidant ainsi l’écoulement du condensat vers le trap. Le drainage depuis le trap du préchauffeur est induit par écoulement gravitaire. La Figure 14.6.6 montre une application où le système de flash steam est maintenu à une pression constante spécifiée par de la vapeur alimentée par un détendeur. Cela garantit une source fiable de vapeur au système basse pression s’il y a un manque de flash steam pour répondre à la charge.

Applications typiques du flash steam

Offre et demande de flash steam synchronisées Cela donne une utilisation maximale du flash steam disponible. La batterie de chauffage d’air discutée dans la Figure 14.6.5 est un tel système, mais des dispositions similaires sont pratiques avec de nombreuses autres applications telles que les installations de chauffage des locaux utilisant soit des panneaux radiants, soit des aérothermes. La Figure 14.6.6 représente un système où plusieurs radiateurs sont alimentés en vapeur haute pression. Le condensat d’environ 90% des radiateurs est collecté et envoyé à un récipient de récupération de flash. Cela fournit de la vapeur basse pression aux 10% restants des radiateurs. Avec ce système, la production thermique totale du système est légèrement réduite, car 10% des radiateurs fonctionnent à une pression de vapeur plus basse. Cependant, il est rare de trouver une installation qui n’ait pas une marge suffisante de production au-dessus de la charge normale pour accepter cette petite réduction. Parfois, un problème survient lorsque l’utilisation du flash steam disponible peut nécessiter plus d’un radiateur mais moins de deux. Il serait préférable dans ce cas de connecter deux radiateurs à l’alimentation en flash steam, plutôt que d’évacuer le flash steam excédentaire. Deux radiateurs ensemble tireront généralement la pression de flash vers un niveau plus bas, voire vers des niveaux sous-atmosphériques. Pour y faire face, l’alimentation en flash steam peut être complétée par de la vapeur vive provenant d’un détendeur.

Un autre exemple où l’offre et la demande sont « synchronisées » est le calorifère à accumulation d’eau chaude chauffé à la vapeur. Certains d’entre eux incorporent un second serpentin, installé près du fond du récipient adjacent à l’endroit où l’eau froide entre.

Le condensat et le flash steam du trap sur le serpentin primaire sont passés directement au second serpentin. Ici, tout flash steam produit par la chute de pression à travers le trap se condense, tout en cédant sa chaleur à l’eau d’alimentation. Un arrangement typique est montré dans la Figure 14.6.7.

Un autre exemple de cette idée est montré dans la Figure 14.6.8. Ici, un calorifère normal vapeur-eau drain le condensat à travers un trap à flotteur vers un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire plus petit (appelé condenseur de flash), dans lequel le flash steam est condensé en condensat sous-refroidi. L’unité est installée de sorte que la tuyauterie d’écoulement secondaire soit en série avec le calorifère et le condenseur. Cela permet à l’eau de retour secondaire d’être préchauffée par le condenseur, réduisant ainsi la demande de vapeur vive en premier lieu.

Si le condensat dans le condenseur de flash est susceptible d’être sous-atmosphérique, une pompe mécanique est nécessaire pour relever le condensat vers toute conduite de retour plus haute. La vapeur motrice s’échappant de la pompe est elle-même condensée dans le condenseur de flash. Le pompage du condensat est alors réalisé à pratiquement aucun coût. Il faut prendre en compte la charge de remplissage de la pompe en ce sens qu’elle doit être supérieure à la perte de charge à travers les tubes du condenseur de flash dans les conditions de pleine charge. Une charge minimale de 600 mm atteindra généralement cet objectif.

Offre et demande de flash steam non synchronisées L’arrangement de la Figure 14.6.9 est un exemple de récupération du flash steam où l’offre et la demande ne sont pas toujours « synchronisées ». Le condensat de trois marmites à chemise et d’une poche de drainage libère du flash steam, mais il ne peut être utilisé que pour compléter l’alimentation en vapeur de l’installation de chauffage des locaux. C’est tout à fait satisfaisant pendant la saison de chauffage, à condition que la charge de chauffage dépasse la disponibilité du flash steam. Pendant la saison estivale, l’équipement de chauffage ne sera pas utilisé, et même pendant le printemps et l’automne, la charge de chauffage peut ne pas être en mesure d’utiliser tout le flash steam disponible. L’arrangement n’est pas idéal, bien qu’il soit tout à fait possible que les économies de vapeur réalisées pendant l’hiver justifient le coût de l’équipement de récupération du flash steam. Parfois, le flash steam excédentaire doit être rejeté à l’atmosphère, et, comme indiqué, une soupape d’excédent est plus adaptée à cet usage qu’une soupape de sécurité, qui a généralement une action « pop » ou « tout-ou-rien » et un arrangement de siège conçu pour un fonctionnement peu fréquent. La soupape d’excédent sera réglée de sorte qu’elle commence à s’ouvrir légèrement au-dessus de la pression normale du système. Lorsque la charge de chauffage diminue et que la pression dans le système commence à augmenter, le détendeur fournissant la vapeur d’appoint se ferme. Une augmentation supplémentaire de la pression, peut-être de 0,15 à 0,2 bar, est alors autorisée avant que la soupape d’excédent ne commence à s’ouvrir pour libérer le flash steam excédentaire. Une soupape de sécurité peut encore être nécessaire si la soupape d’excédent tombe en panne. Elle doit être réglée pour s’ouvrir à une pression entre la pression de réglage de la soupape d’excédent et la pression de conception du système. Il est généralement pratique d’installer la soupape de sécurité sur le flash vessel. Occasionnellement, pendant les conditions estivales, il peut être préférable de contourner le système de flash avec une vanne manuelle (non montrée dans la Figure 14.6.9). Le condensat et son flash steam associé passeront alors directement vers un récepteur de condensat, où le flash steam sera rejeté à l’atmosphère.

Applications de récupération de chaleur des purges de chaudière La purge continue de l’eau de chaudière est nécessaire pour contrôler le niveau de TDS (matières dissoutes totales) dans la chaudière. La purge continue se prête à la récupération du contenu thermique de l’eau de purge et peut permettre de réaliser des économies considérables. La purge de chaudière contient des quantités massives de chaleur, qui peuvent facilement être récupérées sous forme de flash steam. Après avoir traversé la vanne de purge, l’eau à plus basse pression s’écoule vers un flash vessel. À ce point, le flash steam est exempt de contamination et est séparé du condensat, et peut être utilisé pour chauffer le réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière (voir Figure 14.6.10). Le condensat résiduel drainant depuis le flash vessel peut être passé à travers un échangeur de chaleur à plaques afin de récupérer autant de chaleur que possible avant d’être rejeté. Jusqu’à 80% de la chaleur totale contenue dans la purge continue de la chaudière peut être récupérée de cette manière.

Condensation par pulvérisation Enfin, il convient de considérer les cas où le flash steam est inévitablement généré à basse pression, mais où aucune charge appropriée n’est disponible pour l’utiliser. Plutôt que de simplement rejeter le flash steam, l’arrangement de la Figure 14.6.11 peut souvent être adopté. Cet arrangement peut être utile lorsque le conduit d’aération du récepteur de condensat ne peut pas être conduit vers l’extérieur, et où la présence de flash steam serait préjudiciable s’il était laissé à se décharger dans une salle des machines. Une chambre en acier inoxydable légère est installée sur le conduit d’aération du réservoir récepteur. De l’eau froide est pulvérisée dans la chambre en quantités suffisantes pour simplement condenser le flash steam. Le débit d’eau de refroidissement est contrôlé par un simple régulateur de température auto-régulant, ajusté de sorte que des quantités minimales de flash steam apparaissent depuis le conduit d’aération. Le processus utilisera environ 6 kilogrammes d’eau de refroidissement par kilogramme de flash steam condensé. Si l’eau de refroidissement est de qualité alimentaire de chaudière, alors l’eau réchauffée est ajoutée au condensat dans le récepteur et réutilisée. Cela continuera à réaliser des économies d’eau tout au long de l’année. Si l’eau de refroidissement n’est pas adaptée à la récupération, la tuyauterie de pulvérisation peut être installée comme montré par l’arrangement en pointillés. L’eau de refroidissement et le flash condensé tomberont alors à l’égout.