Disposition des conduites de retour du condensat

Considérations entourant la conception et la disposition des conduites de retour du condensat, y compris les conduites de drainage vers les steam traps, les conduites de décharge des traps, les conduites de retour communes et les conduites de retour avec pompage. Inclut l’effet des types de traps utilisés, l’effet des différentes pressions et la décharge du condensat dans des conduites noyées.

Disposition des conduites de retour du condensat

Aucun ensemble unique de recommandations ne peut couvrir la disposition des conduites de condensat. Beaucoup dépend de la pression de l’application, des caractéristiques du steam trap, de la position de la conduite principale de retour du condensat par rapport à l’installation, et de la pression dans la conduite principale de retour du condensat. Pour cette raison, il est préférable de commencer par considérer ce qui doit être accompli, et de concevoir une disposition qui garantira que les bonnes pratiques de base sont respectées. Les objectifs principaux sont que :

• Le condensat ne doit pas être autorisé à s’accumuler dans l’installation, à moins que l’appareil utilisant la vapeur ne soit spécifiquement conçu pour fonctionner de cette façon. Généralement, les appareils sont conçus pour fonctionner non-noyés, et dans ce cas, le condensat accumulé inhibera les performances et encouragera la corrosion des tuyaux, des raccords et de l’équipement.
• Le condensat ne doit pas être autorisé à s’accumuler dans la conduite principale de vapeur. Là, il peut être entraîné par de la vapeur à haute vérosité, conduisant à l’érosion et aux coups de bélier dans la tuyauterie. Le sujet des conduites de condensat se divisera naturellement en quatre types de base où les exigences et les considérations de chacun différeront. Ces quatre types de base sont définis et illustrés dans la Figure 14.2.1.

Conduites de drainage vers les steam traps

Dans la conduite de drainage, le condensat et les gaz incondensables doivent s’écouler depuis la sortie de drainage de l’installation vers le steam trap. Dans une conduite de drainage correctement dimensionnée, l’installation drainée et le corps du steam trap sont pratiquement à la même pression et, à cause de cela, le condensat ne se détend pas dans cette conduite. La gravité est la force motrice et est comptée pour induire l’écoulement le long de la conduite. Pour cette raison, il est logique que le trap soit situé en dessous de la sortie de l’installation drainée, et que la conduite de décharge du trap se termine en dessous du trap. (Une exception à ceci est le cas des serpentins de chauffage de réservoirs discutés dans le Module 2.10). Le type de steam trap utilisé (thermostatic, thermodynamic ou mechanical) peut affecter la disposition de la tuyauterie. Steam traps thermostatic Les traps thermostatic refroidiront le condensat en dessous de la température de saturation avant de le décharger. Cela noie effectivement la conduite de drainage, permettant souvent au condensat de remonter et de noyer l’installation. Il existe certaines applications où le sous-refroidissement du condensat présente des avantages significatifs et est encouragé. Moins de flash steam est produit dans la conduite de décharge du trap, et l’introduction du condensat dans la conduite principale de condensat est plus douce. Les traps thermostatic déchargeant via des conduites ouvertes gaspilleront moins d’énergie que les traps mécaniques car plus de chaleur sensible dans le condensat noyé transmet sa chaleur au processus ; un exemple typique est celui d’un traçage thermique à la vapeur. Les traps thermostatic ne doivent pas être utilisées pour drainer les conduites principales de vapeur ou les échangeurs de chaleur, à moins qu’une considération appropriée ne soit donnée à une conduite de drainage plus longue et/ou plus grande pour agir comme un réservoir et dissiper la chaleur vers l’atmosphère. La longueur supplémentaire (ou le diamètre plus grand) de la conduite de drainage nécessaire pour cela est généralement impraticable, comme montré dans l’Exemple 14.2.1. Exemple 14.2.1 Un aérotherme de 30 kW doit être équipé d’un steam trap thermostatic DN15, qui libère le condensat à 13°C en dessous de la température de saturation. La pression de travail normale est de 3 bar g, la température ambiante est de 15°C, et la perte de chaleur de la conduite de drainage vers l’environnement est estimée à 20 W/m2 °C. Déterminer la longueur minimale requise d’une conduite de drainage de 15 mm vers le trap thermostatic. À partir des tables de vapeur, à 3 bar g :

Comme le trap décharge à 131°C, la conduite de drainage doit émettre suffisamment de chaleur pour que le condensat à la sortie du radiateur soit à la température de saturation, et que le condensat ne remonte pas dans le radiateur. La perte de chaleur requise de la conduite de drainage peut être calculée à partir de l’Équation 2.6.5.

Cette perte de chaleur sera obtenue à partir de la température moyenne du condensat le long de la conduite de drainage. Température moyenne du condensat dans la conduite de drainage.

La surface de la conduite de drainage pour fournir la perte de chaleur requise peut être calculée en utilisant l’Équation 2.5.3.

Note : sera un taux de transfert de chaleur moyen (Q̇M) si ΔT est une différence de température moyenne (ΔTLM ou ΔTAM)

ΔT dans l’Équation 2.5.3 est la différence entre la température moyenne du condensat et la température ambiante = 137,5°C - 15°C = 122,5°C Q = 0,768 kW U = 20 W/m2 °C De l’Équation 2.5.3 0,768 x 103 watts = 20 watts/m2 °C x A x 122,5°C Par conséquent, A = 0,313 m2 La longueur de conduite nécessaire pour fournir cette surface peut être calculée en utilisant les informations du Tableau 2.10.3.

Cette longueur de conduite (4,7 m) est probablement impraticable sur le terrain. Deux alternatives restent. L’une est d’augmenter le diamètre de la conduite de drainage, ce qui est encore généralement impraticable ; l’autre est beaucoup plus simple, d’installer le trap correct pour ce type d’application ; un trap à flotteur-thermostatic qui décharge le condensat à la température de la vapeur et ne nécessite donc pas de jambe de refroidissement.

Si un trap thermostatic était considéré comme essentiel, et installé à pas plus de 2 mètres de la sortie du radiateur, il serait nécessaire de calculer le diamètre requis de la conduite de drainage. La perte de chaleur requise de la conduite reste la même, ainsi que la surface totale de la conduite, mais la surface par mètre de longueur doit augmenter.

La surface requise/longueur en mètre = 0,157 m2/m

D’après le Tableau 2.10.3, on peut voir que la conduite de taille minimale pour donner cette surface par mètre est une conduite de 50 mm, ce qui, encore une fois, peut être considéré comme impraticable et coûteux à fabriquer. La morale de ceci est qu’il est généralement plus facile et moins coûteux de sélectionner le trap correct pour le travail, que d’avoir le mauvais type de trap et de fabriquer une solution autour. Steam traps thermodynamic Les traps qui déchargent de manière intermittente, tels que les traps thermodynamic, accumuleront le condensat entre les décharges. Cependant, ils sont extrêmement robustes, tolèrent les températures ambiantes de gel et ont une surface extérieure relativement petite, ce qui signifie que la perte de chaleur vers l’environnement est minimisée. Ils ne conviennent pas pour décharger le condensat dans des conduites de retour noyées, comme sera expliqué plus loin dans ce bloc. Steam traps mécaniques Les steam traps mécaniques avec une caractéristique de décharge continue, par exemple les traps à flotteur-thermostatic, s’avèrent souvent être la meilleure option, et ont l’avantage supplémentaire de pouvoir purger l’air. La plupart des traps à flotteur sont disponibles en deux configurations d’écoulement de base, soit horizontal soit vertical à travers le trap. Certains traps à seau inversé ont des raccords d’entrée en bas et de sortie en haut. Clairement, les raccords du trap affecteront le chemin de la tuyauterie de raccordement. La conduite de drainage doit être maintenue à une longueur minimale, idéalement moins de 2 mètres. Les longues conduites de drainage de l’installation vers le steam trap peuvent se remplir de vapeur et empêcher le condensat d’atteindre le trap. Cet effet est appelé blocage par la vapeur (steam locking). Pour minimiser ce risque, les conduites de drainage doivent être maintenues courtes (voir Figure 14.2.2). Dans les situations où de longues conduites de drainage sont inévitables, le problème de blocage par la vapeur peut être surmonté en utilisant des traps à flotteur avec des dispositifs de libération de blocage par la vapeur. Le problème de blocage par la vapeur doit être résolu en installant la longueur correcte de conduite dès le départ, si possible.

Les dispositions détaillées pour la purge des installations utilisant la vapeur et le drainage des conduites principales de vapeur sont différentes comme expliqué dans les paragraphes suivants.

Avec les installations utilisant la vapeur, la conduite depuis le raccordement de condensat doit descendre verticalement sur environ 10 diamètres de conduite jusqu’au steam trap. En supposant qu’un trap à flotteur correctement dimensionné est installé, cela garantira que les à-coups de condensat ne s’accumulent pas dans le fond de l’installation avec les risques de corrosion et de coups de bélier associés. Cela fournira également une petite quantité de charge statique pour aider à éliminer le condensat pendant le démarrage lorsque la pression de vapeur pourrait être très basse. La tuyauterie doit ensuite être posée horizontalement, avec une pente dans le sens de l’écoulement pour s’assurer que le condensat s’écoule librement (voir Figure 14.2.3).

Avec le drainage des conduites principales de vapeur, à condition que des poches de drainage soient installées comme recommandé dans le Module 10.3, alors la conduite de drainage entre la poche et le steam trap peut être horizontale. Si la poche de drainage n’est pas aussi profonde que la recommandation, alors le steam trap doit être installé à une distance équivalente en dessous (voir Figure 14.2.4).

Conduites de décharge des traps

Ces conduites transporteront le condensat, les gaz incondensables et le flash steam depuis le trap vers le système de retour du condensat (Figure 14.2.5). Le flash steam se forme lorsque le condensat est déchargé de l’espace haute pression avant le steam trap vers l’espace basse pression du système de retour du condensat. (Le flash steam est brièvement discuté dans le Module 14.1, et plus en détail dans le Module 2.2). Ces conduites doivent également descendre dans le sens de l’écoulement pour maintenir un écoulement libre du condensat. Sur les conduites courtes, la pente doit être visible à l’œil. Sur les conduites plus longues, la pente doit être d’environ 1:70, c’est-à-dire, 100 mm tous les 7 mètres.

Décharge dans des conduites de retour noyées

Décharger les traps dans des conduites de retour noyées n’est pas recommandé, en particulier avec les traps à action blast (types thermodynamic ou à seau inversé), qui éliminent le condensat à la température de saturation. De bons exemples de conduites principales de condensat noyées sont les conduites de retour avec pompage et les conduites de condensat ascendantes. Elles suivent souvent le même trajet que les conduites de vapeur, et il est tentant de simplement connecter les conduites de décharge des traps de drainage des conduites principales dans celles-ci. Cependant, le volume élevé de flash steam libéré dans de longues conduites noyées poussera violemment l’eau le long de la conduite, causant des coups de bélier, du bruit et, avec le temps, une défaillance mécanique de la conduite.

Conduites de retour communes

Lorsque le condensat de plus d’un trap s’écoule vers le même point de collecte tel qu’un récepteur à atmosphère ouverte, il est habituel de disposer d’une conduite commune dans laquelle les conduites de décharge individuelles des traps sont connectées. À condition que les dispositions telles que présentées dans les Figures 14.2.6/7/8 et 10 soient respectées, et que la tuyauterie soit correctement dimensionnée comme indiqué dans le Module 14.3, ce n’est pas un problème.

Traps à décharge blast

Si des traps à décharge blast (types thermodynamic ou à seau inversé) sont utilisés, les forces de réaction et les vitesses peuvent être élevées. Les tés arrondis aideront à réduire les contraintes mécaniques et l’érosion au point où la conduite de décharge rejoint la conduite de retour commune (voir Figure 14.2.6).

Traps à décharge continue

Si, pour une raison quelconque, les tés arrondis ne peuvent pas être utilisés, un trap à flotteur-thermostatic avec son action de décharge continue est une meilleure option (Figure 14.2.7). La conduite noyée absorbera l’énergie dissipée par l’écoulement (relativement faible) continu du trap à flotteur-thermostatic, plus facilement. Si la différence de pression entre les conduites principales de vapeur et de condensat est très élevée, alors un diffuseur aidera à amortir la décharge, réduisant à la fois l’érosion et le bruit.

Une autre alternative est d’utiliser un trap thermostatic qui retient le condensat jusqu’à ce qu’il refroidisse en dessous de la température de saturation de la vapeur ; cela réduit la quantité de flash steam formée (Figure 14.2.8).

Pour éviter de noyer la conduite principale de vapeur, l’utilisation d’une poche de collecte généreuse sur la conduite principale, plus une jambe de refroidissement de 2 à 3 m de conduite non isolée vers le trap, est essentielle. La jambe de refroidissement stocke le condensat pendant qu’il refroidit jusqu’à la température de décharge. S’il y a un risque de noyer la conduite principale de vapeur, les traps thermostatic ne doivent pas être utilisés.

Installation à régulation de température avec steam traps drainant dans des conduites noyées

Les processus utilisant la régulation de température fournissent un exemple où la pression de vapeur d’alimentation est étranglée à travers une control valve. L’effet de cela est de réduire la capacité du steam trap à un point où l’écoulement du condensat peut s’arrêter complètement, et le système est dit en situation de stall (blocage). Le sujet du stall est discuté plus en profondeur dans le Bloc 13. Le stall se produit en raison d’une pression de vapeur insuffisante pour purger l’installation de vapeur du condensat, et est plus probable lorsque l’installation a un taux de turndown élevé de la pleine charge à la charge partielle. Tous les systèmes à régulation de température ne sont pas en situation de stall, mais la contre-pression causée par le système de condensat pourrait avoir un effet négatif sur les performances du trap. Cela pourrait à son tour nuire à la capacité de transfert de chaleur du processus (Figure 14.2.9). Les conduites de drainage du condensat doivent donc être configurées de sorte que le condensat ne puisse pas noyer la conduite principale dans laquelle il se décharge comme représenté dans la Figure 14.2.10.

Conduites de décharge à différentes pressions

Le condensat de plus d’un processus à régulation de température peut rejoindre une conduite commune, à condition que cette conduite soit :

• Conçue pour avoir une pente dans le sens de l’écoulement vers un point de collecte.
• Dimensionnée pour faire face aux effets cumulatifs de tout flash steam provenant de chacune des conduites dérivées à pleine charge. Le concept de connexion des décharges de traps à différentes pressions est parfois mal compris. Si les conduites dérivées et la conduite commune sont correctement dimensionnées, les pressions en aval de chaque trap seront pratiquement les mêmes. Cependant, si ces conduites sont sous-dimensionnées, l’écoulement du condensat et du flash steam sera restreint, en raison d’une accumulation de contre-pression causée par une résistance accrue à l’écoulement à l’intérieur de la conduite. Le condensat s’écoulant des traps drainant les systèmes à plus basse pression tendra à être le plus restreint. Chaque partie du système de conduites de décharge doit être dimensionnée pour transporter tout flash steam présent à des vitesses de vapeur acceptables. La décharge d’un trap haute pression n’interférera pas avec celle d’un trap basse pression si les conduites de décharge et la conduite commune sont correctement dimensionnées et pentées dans le sens de l’écoulement. Le Module 14.3, « Dimensionnement des conduites de retour du condensat », donne plus de détails.

Conduites de retour avec pompage

Le flash steam peut, à un certain point, être séparé du condensat et utilisé dans un système de récupération, ou simplement rejeté à l’atmosphère depuis un récepteur approprié (Figure 14.2.11). Le condensat chaud résiduel de ce dernier peut être pompé vers un réservoir de collecte approprié tel qu’un réservoir d’eau d’alimentation de chaudière. Lorsque la pompe est alimentée depuis un récepteur à atmosphère ouverte, la conduite de retour avec pompage sera entièrement noyée de condensat à des températures inférieures à 100°C, ce qui signifie que le flash steam est moins susceptible de se produire dans la conduite.

L’écoulement dans une conduite de retour avec pompage est intermittent, car la pompe démarre et s’arrête selon ses besoins. Le taux de décharge de la pompe sera plus élevé que le taux auquel le condensat entre dans la pompe. C’est donc le taux de décharge de la pompe qui détermine la taille de la conduite de décharge de la pompe, et non le taux auquel le condensat entre dans la pompe.

Le pompage du condensat est discuté plus en détail dans le Module 14.4, « Pompage du condensat depuis des récepteurs à atmosphère ouverte ».