Dimensionnement des conduites de retour du condensat

Un guide pour le dimensionnement des conduites de condensat vers et depuis les steam traps, incluant des exemples et des calculs utilisant le tableau de dimensionnement des conduites de condensat.

Dimensionnement des conduites de retour du condensat

Les quatre principaux types de conduites de condensat, comme mentionné dans le Module 14.2, sont montrés dans le Tableau 14.3.1 :

Tableau 14.3.1 Les quatre types de base de conduites de condensat

Le dimensionnement de toutes les conduites de condensat est fonction de :

• Pression - La différence de pression entre une extrémité de la conduite et l’autre. Cette différence de pression peut soit favoriser l’écoulement, soit provoquer le flash d’une partie du condensat en vapeur.
• Quantité - La quantité de condensat à traiter.
• Condition - Le condensat est-il principalement liquide ou en flash steam ? À l’exception des conduites de retour pompées qui seront discutées dans le Module 14.4, les trois autres principaux types de conduites de condensat et leur dimensionnement seront couverts dans ce Module.

Dimensionnement des conduites de drainage vers les traps

Il ne faut pas supposer que la conduite de drainage (et le trap) doit être de la même taille que la connexion de sortie de l’équipement. L’équipement peut fonctionner à un certain nombre de pressions et débits de fonctionnement différents, surtout lorsqu’il est à régulation de température. Cependant, une fois que le trap a été correctement dimensionné, il est généralement le cas que la conduite de drainage sera de la même taille que la connexion d’entrée du trap (voir Figure 14.3.1).

Concernant les conditions à l’intérieur de la conduite de drainage, comme il n’y a pas de chute de pression significative entre l’équipement et le trap, aucun flash steam n’est présent dans la conduite, et elle peut être dimensionnée pour transporter uniquement du condensat.

Lors du dimensionnement de la conduite de drainage, les éléments suivants devront être pris en compte :

• Le taux de condensation de l’équipement drainé en pleine charge.
• Le taux de condensation de l’équipement au démarrage. Au démarrage de l’équipement, le taux de condensation peut atteindre trois fois la charge en fonctionnement – c’est là que la différence de température entre la vapeur et le produit plus froid est à son maximum. La conduite de drainage, le trap et la conduite de refoulement doivent également transporter l’air déplacé par la vapeur entrante pendant cette période. La procédure de dimensionnement du steam trap devra considérer ces deux variables, cependant, en général :
• Pour le drainage des conduites principales de vapeur, la charge de condensat pour chaque trap de drainage est typiquement de 1% de la capacité de vapeur de la conduite principale basée sur des points de drainage à des intervalles de 50 m, et avec une bonne isolation. Pour la plupart des points de drainage, dimensionner le trap pour passer deux fois la charge en fonctionnement à la pression de travail (moins toute contre-pression) lui permettra de faire face à la charge de démarrage.
• Sur les processus à pression de vapeur constante tels que les presses, les repasseuses, les unités de chauffage, les panneaux radiants et les marmites, dimensionner les traps sur environ deux fois la charge en fonctionnement à la pression de travail (moins toute contre-pression) fournira une capacité suffisante pour faire face à la charge de démarrage.
• Sur les applications à régulation de température, la pression de vapeur, le turndown de l’équipement, la température de consigne et l’emplacement du steam trap doivent être considérés en détail, et le trap doit être dimensionné pour répondre aux conditions de pleine charge et de charge minimale. Si ces conditions ne sont pas connues, il est recommandé que le steam trap soit dimensionné sur 3 x la charge en fonctionnement à la pression différentielle de fonctionnement. Cela devrait satisfaire la condition de démarrage et fournir un drainage approprié aux charges minimales. Lorsque le trap est dimensionné de cette manière, il fera également face à la charge de démarrage. Par conséquent, si la conduite de drainage vers le trap est dimensionnée sur la taille du trap, elle ne sera jamais sous-dimensionnée. À des fins pratiques, lorsque la conduite de drainage fait moins de 10 m, elle peut être de la même taille de conduite que le steam trap sélectionné pour l’application. Les conduites de drainage de moins de 10 m de long peuvent également être vérifiées par rapport à l’Annexe 14.3.1 et une taille de conduite doit être sélectionnée qui donne une perte de pression au débit maximal de pas plus de 200 Pa par mètre de longueur, et une vitesse pas supérieure à 1,5 m/s. Le Tableau 14.3.2 est un extrait de l’Annexe 14.3.1. Sur les conduites de drainage plus longues (plus de 10 m), la perte de pression au débit maximal ne doit pas dépasser 100 Pa/m, et une vitesse pas supérieure à 1 m/s.

Tableau 14.3.2 Écoulement de l’eau dans les conduites en acier lourd

Exemple 14.3.1 Un élément d’équipement, utilisant de la vapeur à pression constante, condense 470 kg de vapeur par heure en pleine charge. La tuyauterie entre l’élément d’équipement et le steam trap a une longueur équivalente de 2 m. Déterminer la taille de conduite à utiliser. Charge révisée tenant compte du démarrage = 470 kg/h x 2 = 940 kg/h. Comme la longueur de la conduite est inférieure à 10 mètres, la chute de pression maximale admissible est de 200 Pa/m. En utilisant le Tableau 14.3.1, en regardant à partir de 200 Pa/m, on peut voir qu’une conduite de 25 mm a une capacité de 1 141 kg/h, et serait donc adaptée à la charge de démarrage attendue de 940 kg/h. En vérifiant plus haut dans la colonne 25 mm, on peut voir qu’un débit de 940 kg/h entraînera une perte de pression réelle de juste moins de 140 Pa/m s’écoulant dans une conduite de 25 mm.

Dimensionnement des conduites de refoulement depuis les traps

La section de pipeline en aval du trap transportera à la fois du condensat et du flash steam à la même pression et température. C’est ce qu’on appelle l’écoulement biphasique, et le mélange de liquide et de vapeur aura les caractéristiques à la fois de la vapeur et de l’eau en proportion de la quantité de chacun présente. Considérons l’exemple suivant. Exemple 14.3.2 Un élément d’équipement utilise de la vapeur à une pression constante de 4 bar g. Un steam trap mécanique est installé, et le condensat à température de saturation est déchargé dans une conduite principale de condensat fonctionnant à 0,5 bar g. Déterminer les proportions en masse et en volume d’eau et de vapeur dans la conduite principale de condensat. Partie 1 - Déterminer les proportions en masse À partir des tables de vapeur :

Il est clair que si 7,9% se transforme en flash steam, les 100 – 7,9 = 92,1% restants du débit massique initial resteront sous forme d’eau. Partie 2 - Déterminer les proportions en volume Basé sur une masse initiale de 1 kg de condensat déchargé à la température de saturation de 4 bar g, la masse de flash steam est de 0,079 kg et la masse de condensat est de 0,921 kg (établi à partir de la Partie 1). Eau : La densité de l’eau saturée à 0,5 bar g est de 950 kg/m3,

De cela, il en résulte que le fluide biphasique dans la conduite de refoulement du trap aura beaucoup plus en commun avec la vapeur qu’avec l’eau, et il est raisonnable de dimensionner sur des vitesses de vapeur raisonnables plutôt que d’utiliser le volume relativement petit de condensat comme base de calcul. Si les conduites sont sous-dimensionnées, la vitesse du flash steam et la contre-pression augmenteront, ce qui peut provoquer des coups de bélier, réduire la capacité du trap et noyer le processus.

Les conduites de vapeur sont dimensionnées en tenant compte des vitesses maximales. La vapeur saturée sèche ne doit pas voyager plus vite que 40 m/s. La vapeur humide doit voyager un peu plus lentement (15 à 20 m/s) car elle transporte de l’humidité qui peut avoir un effet érosif et dommageable sur les raccordements et les vannes. Les conduites de refoulement des traps peuvent être considérées comme des conduites de vapeur transportant de la vapeur très humide, et doivent être dimensionnées sur des vitesses similaires faibles. Les conduites de refoulement de condensat depuis les traps sont notoirement plus difficiles à dimensionner que les conduites de vapeur en raison de la caractéristique d’écoulement biphasique. En pratique, il est impossible (et souvent inutile) de déterminer la condition exacte du fluide à l’intérieur de la conduite. Bien que la quantité de flash steam produite (voir Figure 14.3.2) soit liée à la différence de pression à travers le trap, d’autres facteurs auront également un effet.

Facteurs ayant une influence sur l’écoulement biphasique à l’intérieur d’une conduite, comprennent :

• Si le condensat côté amont du trap est plus froid que la température de saturation (par exemple : un steam trap thermostatique est utilisé), la quantité de flash steam après le trap est réduite. Cela peut réduire la taille de la conduite requise.
• Si la conduite descend depuis le trap vers son extrémité, la pente aura un effet sur l’écoulement du condensat, mais dans quelle mesure, et comment cela peut-il être quantifié ?
• Sur les lignes plus longues, les pertes par rayonnement de la conduite peuvent condenser une partie du flash steam, réduisant son volume et sa vitesse, et il peut y avoir un cas pour réduire la taille de la conduite. Mais à quel moment doit-elle être réduite et de combien ?
• Si la conduite de refoulement s’élève vers une conduite de retour en hauteur, il y aura des moments où la conduite ascendante sera remplie de condensat froid, et des moments où le flash steam provenant du trap pourra évaporer une partie ou la totalité de ce condensat. La conduite ascendante doit-elle être dimensionnée sur la vitesse du flash steam ou sur la quantité de condensat ?
• La plupart des processus fonctionnent en dessous de leur condition de pleine charge pendant la majeure partie de leur cycle de fonctionnement, ce qui réduit le flash steam pendant la majeure partie du temps. La question se pose donc : y a-t-il un besoin pour le système d’être dimensionné sur la condition de pleine charge, si l’équipement fonctionne en permanence à une charge de fonctionnement plus faible ?
• Sur les équipements à régulation de température, la pression différentielle à travers le trap changera elle-même en fonction de la charge thermique. Cela affectera la quantité de flash steam produite dans la conduite. Recommandations sur les conduites de refoulement des traps En raison du nombre de variables, un calcul exact de la taille de la conduite serait complexe et probablement imprécis. L’expérience a montré que si les conduites de refoulement des traps sont dimensionnées sur des vitesses de flash steam de 15 à 20 m/s, et que certaines recommandations sont respectées, peu de problèmes se poseront. Recommandations :

1. Les conduites de refoulement des traps correctement dimensionnées qui pendent dans la direction de l’écoulement et sont ouvertes à l’extrémité ou ventilées à un récepteur, ne seront pas noyées et permettront au flash steam de passer sans entrave au-dessus du condensat (Figure 14.3.3). Une pente minimale de 1 sur 70 (150 mm de chute tous les 10 m) est recommandée. Un simple contrôle visuel confirmera généralement si la conduite est en pente – si aucune pente n’est apparente, elle n’est pas assez inclinée !

2. Si c’est inévitable, les conduites ascendantes non pompées (Figure 14.3.4) doivent être maintenues aussi courtes que possible et équipées d’un clapet anti-retour pour empêcher le condensat de retomber vers le trap. Les colonnes montantes doivent se décharger dans le haut des conduites de retour en hauteur. Cela empêche le condensat de refluer dans la colonne montante depuis la conduite principale de retour après que le trap a déchargé, pour faciliter le passage facile du flash steam vers le haut de la colonne montante.

Il est raisonnable d’envisager d’utiliser une colonne montante légèrement plus grande, qui produira une vitesse de flash steam plus faible.

Cela réduira le risque de coups de bélier et de bruit causés par la vapeur essayant de se frayer un chemin à travers le condensat liquide dans la colonne montante. Important : Une conduite ascendante ne doit être utilisée que lorsque la pression de vapeur du processus est garantie d’être supérieure à la contre-pression du condensat à la sortie du trap. Sinon, le processus se noiera à moins qu’un piège-pompe ou une combinaison piège-pompe soit utilisé pour fournir un drainage approprié contre la contre-pression. 3. Les conduites de retour communes doivent également descendre en pente et ne pas être noyées (Figure 14.3.4). Pour éviter que le flash steam ne se forme dans les longues conduites de retour, le condensat chaud provenant des conduites de refoulement des traps doit s’écouler dans des récepteurs ventilés (ou des réservoirs de flash si approprié), d’où il peut être pompé vers sa destination finale, via une conduite noyée à une température plus basse. Le pompage du condensat est traité plus en détail dans le Module 14.4.

Le tableau de dimensionnement des conduites de condensat

Le tableau de dimensionnement des conduites de condensat (Figure 14.3.5) peut être utilisé pour dimensionner tout type de conduite de condensat, y compris :

• Les conduites de drainage ne contenant pas de flash steam.
• Les conduites constituées d’un écoulement biphasique, telles que les conduites de refoulement des traps, qui sont sélectionnées selon les pressions de chaque côté du trap. Le tableau (Figure 14.3.5) :
• Fonctionne autour de vitesses de flash steam acceptables de 15 - 20 m/s, selon la taille de la conduite et la proportion de flash steam formé.
• Peut être utilisé avec des températures de condensat inférieures à la température de saturation de la vapeur, comme ce sera le cas lors de l’utilisation de steam traps thermostatiques.
• Est utilisé pour dimensionner les conduites de refoulement des traps sur les conditions de pleine charge. Il n’est pas nécessaire de considérer des facteurs de surdimensionnement pour la charge de démarrage ou l’élimination des gaz non condensables.
• Peut également être utilisé pour estimer les tailles des conduites pompées contenant du condensat en dessous de 100°C. Cela sera discuté dans le Module 14.4.

Utilisation du tableau de dimensionnement des conduites de condensat (également disponible en Annexe 14.3.2) Établir le point où les pressions de vapeur et de condensat se rencontrent (partie inférieure du tableau, Figure 14.3.5). À partir de ce point, se déplacer verticalement vers le haut du tableau pour rencontrer le débit de condensat requis. Si la conduite de refoulement descend (non noyée) et que la sélection est sur ou entre les lignes, choisir la taille de conduite inférieure. Si la conduite de refoulement monte, et donc susceptible d’être noyée, choisir la taille de conduite supérieure. Remarque : Le raisonnement employé pour le dimensionnement d’un steam trap est différent de celui utilisé pour une conduite de refoulement, et il est parfaitement normal qu’une conduite de refoulement de trap soit dimensionnée différemment du trap qu’elle dessert. Cependant, lorsque le trap est correctement dimensionné, l’équipement auxiliaire habituel associé à une station de steam trap, tel que les vannes d’isolement, le filtre, la chambre d’essai du trap et le clapet anti-retour, peut être de la même taille que le dispositif de purge sélectionné, quelle que soit la taille de la conduite de refoulement.

Exemple 14.3.3 1 Sur le tableau (Figure 14.3.6)

Un steam trap laissant passer une pleine charge de 1 000 kg/h à une pression de vapeur saturée de 6 bar g à travers une conduite de refoulement descendante vers un réservoir de flash à 1,7 bar g. Comme la conduite de refoulement est non noyée, la figure inférieure de 25 mm est sélectionnée à partir du tableau (Figure 14.3.5).

Exemple 14.3.4 2 Sur le tableau (Figure 14.3.7)

Un steam trap laissant passer une pleine charge de 1 000 kg/h à une pression de vapeur saturée de 18 bar g à travers une conduite de refoulement montant de 5 m jusqu’à une conduite de retour de condensat sous pression à 3,5 bar g. Ajouter la pression statique de 0,5 bar (charge de 5 m) à la pression de condensat de 3,5 bar pour donner une contre-pression de 4 bar g. Comme la conduite de refoulement monte et donc noyée, la figure supérieure de 32 mm est sélectionnée à partir du tableau (Figure 14.3.5).

Exemple 14.3.5 3 Sur le tableau (Figure 14.3.8)

Un steam trap laissant passer une pleine charge de 200 kg/h à une pression de vapeur saturée de 2 bar g à travers une conduite de refoulement en pente descendant vers un récepteur de condensat ventilé à la pression atmosphérique (0 bar g). Comme la conduite est non noyée, la figure inférieure de 20 mm est sélectionnée à partir du tableau (Figure 14.3.5).

Exemple 14.3.6 4 Sur le tableau (Figure 14.3.9)

Un piège-pompe laissant passer une pleine charge de 200 kg/h à une pression d’espace vapeur saturée de 4 bar g à travers une conduite de refoulement montant de 5 m jusqu’à une conduite de retour de condensat non noyée à la pression atmosphérique. La pression statique de 5 m contribue à la contre-pression totale de 0,5 bar g. Comme la conduite de refoulement du trap monte, la figure supérieure de 25 mm est sélectionnée à partir du tableau (Figure 14.3.5).

Exemple 14.3.7 5 Sur le tableau (Figure 14.3.10)

Considérons une charge de condensat de 200 kg/h vers un récepteur et une pompe. Dans ce cas, la conduite de condensat est basée sur la capacité maximale de la pompe pour atteindre la hauteur de refoulement souhaitée. Le calcul des capacités de pompe est couvert dans le Module 14.4 ‘Pompage du condensat depuis des récepteurs à atmosphère ouverte’, mais pour cet exemple, on suppose que la charge maximale de condensat sera de 1 200 kg/h. Parce que le condensat aura perdu son contenu de flash steam à l’atmosphère via la ventilation du récepteur, la pompe ne pompera que du condensat liquide. Dans ce cas, il n’est nécessaire que d’utiliser la partie supérieure du tableau dans la Figure 14.3.5. Comme la conduite depuis la pompe monte, la figure supérieure de 25 mm est choisie. Remarque : Si la conduite pompée faisait plus de 100 m, la taille supérieure suivante doit être prise, ce qui pour cet exemple serait de 32 mm. Un conseil utile pour les lignes de 100 m ou moins est de choisir une conduite de refoulement de la même taille que la pompe. Pour plus de détails, se référer au Module 14.4 ‘Pompage du condensat depuis des récepteurs à atmosphère ouverte’.

Conduites de retour communes - lignes descendantes

Il est parfois nécessaire de connecter plusieurs conduites de refoulement de traps provenant de processus séparés dans une conduite de retour commune. Des problèmes ne surviendront pas si les considérations suivantes sont respectées :

• La conduite commune n’est pas noyée et descend en pente dans la direction de l’écoulement vers une extrémité ouverte ou un récepteur ventilé, ou un réservoir de flash si les conditions le permettent.
• La conduite commune est dimensionnée sur les tailles cumulées des conduites de branchement, et les conduites de branchement sont dimensionnées à partir de la Figure 14.3.5. Exemple 14.3.8 La Figure 14.3.11 montre trois échangeurs de chaleur, chacun séparément contrôlé et fonctionnant en même temps. Les charges de condensat montrées sont des pleines charges et se produisent avec 3 bar g dans l’espace vapeur. La conduite commune descend en pente vers le réservoir de flash à 1,5 bar g, situé dans la même salle des machines. Le condensat dans le réservoir de flash descend par l’intermédiaire d’un trap à flotteur vers un récepteur ventilé, d’où il est pompé directement vers la chaufferie. Les conduites de refoulement des traps sont dimensionnées en pleine charge avec une pression de vapeur à 3 bar g et une pression de condensat de 1,5 bar g, et comme chacune n’est pas noyée, les tailles de lignes inférieures sont choisies à partir du graphique. Déterminer les tailles des conduites de condensat pour les conduites de refoulement descendantes et les conduites communes.

Conduites de retour communes - lignes ascendantes

Il est parfois inévitable que les conduites de refoulement de condensat et les conduites communes montent à un certain point entre le trap et le point de terminaison final. Lorsque c’est le cas, chaque conduite de refoulement est dimensionnée en passant à la taille supérieure sur le tableau, comme discuté précédemment dans ce Module. Exemple 14.3.9 La Figure 14.3.12 montre les mêmes trois échangeurs de chaleur que dans l’Exemple 14.3.8. Cependant, dans ce cas, la conduite commune monte de 15 m et se termine dans une conduite principale de retour de condensat non noyée en hauteur, donnant la même contre-pression de 1,5 bar que dans l’Exemple 14.3.8. Chacune des conduites de refoulement est dimensionnée comme une conduite ascendante. Déterminer les tailles des conduites de condensat pour les conduites de refoulement et les conduites communes.

Exemple 14.3.10 - Conduite commune descendante

Calcul des tailles de conduites communes pour l’application montrée dans la Fig. 14.3.12 qui descend vers un point de terminaison final :

Exemple 14.3.11 - Conduite commune ascendante

Calcul des tailles de conduites communes pour l’application montrée dans la Fig. 14.3.14 qui monte vers un point de terminaison final : Noter que les charges de vapeur sont les mêmes que dans l’Exemple 14.3.10, mais les conduites de refoulement sont une taille plus grande en raison de la conduite commune ascendante.

La procédure montrée dans les Exemples 14.3.10 et 14.3.11 peut être simplifiée en utilisant l’Annexe 14.3.3.

Par exemple, lorsque les conduites A et B (20 mm et 50 mm) se rejoignent, le diamètre minimum de conduite requis est indiqué comme 54 mm. Il est clair que l’utilisateur installerait la taille commerciale de conduite disponible supérieure suivante, à moins que le diamètre intérieur calculé soit proche d’une taille de conduite de diamètre nominal.

Annexe 14.3.1 Écoulement de l’eau dans les conduites en acier lourd

Annexe 14.3.3 Tableau de dimensionnement des conduites communes D1 = Taille de la branche de connexion (N.B.) D2 = Taille de la conduite commune