Exemple de sélection du trap

Un exemple entièrement détaillé pour calculer le stall et sélectionner une solution d’élimination du condensat pour une application d’échange de chaleur.

Exemple 13.4.1 Sélection du trap Une usine nécessite un échangeur de chaleur vapeur/eau fonctionnant à 4 bar g nominaux pour chauffer de l’eau de processus circulant à 1 L/s (1 kg/s) de 10°C à 80°C, donnant une charge de conception de 293 kW. Le processus est tel qu’une charge thermique minimale se produit à 60% de la charge thermique totale. C’est une ligne de processus fonctionnant en permanence sans augmentation future de charge. Deux fournisseurs sont priés de fournir un échangeur de chaleur. Les informations suivantes sont importantes pour la sélection :

• Le fournisseur ‘X’ peut fournir un échangeur de chaleur avec une surface de chauffe de 2 m2, une valeur ‘U’ de 2 500 W/m2 °C et une capacité de 350 kW lorsqu’il fonctionne avec de la vapeur à 4 bar g et un débit d’eau de 1 L/s.
• Le fournisseur ‘Y est en mesure de fournir un échangeur de chaleur avec une surface de chauffe plus petite plus adaptée à la charge de conception de 293 kW, lorsqu'il fonctionne avec de la vapeur à 4 bar g et un débit d'eau de 1 L/s. La valeur 'U est de 2500 W/m2 °C.
• La conduite de condensat de l’échangeur de chaleur s’élèvera de 5 mètres vers une conduite de retour du condensat qui descend en route vers un récepteur à atmosphère ouverte, avec une contre-pression totale de 0,5 bar g. Note : Une colonne d’eau d’un mètre sous pression atmosphérique exercera une pression au fond de la colonne d’environ 10 kPa ou 0,1 bar g. Toute élévation dans la conduite de décharge du condensat exercera ainsi une élévation statique due à la colonne de condensat retenue dans la conduite, en plus de toute pression dans le système de condensat. Il est nécessaire de déterminer les conditions de fonctionnement du système pour sélectionner et dimensionner le trap pour une élimination appropriée du condensat des deux échangeurs de chaleur dans toute condition de charge de fonctionnement.

Les questions suivantes doivent être résolues pour une élimination appropriée du condensat :

(A) Le stall se produira-t-il pendant le fonctionnement normal ?

(B) À quelle charge le stall se produira-t-il ?

Vérifier la charge thermique de l’application dans les conditions de conception.

À partir de l’équation du débit de transfert de chaleur (Équation 2.6.5) : Considérons le fournisseur ‘X’ Un échangeur de chaleur de 350 kW avec une surface de chauffe de 2 m2. Quelle sera la pression de l’espace vapeur dans ce radiateur à cette charge de conception ? Il est d’abord nécessaire de déterminer le LMTD (ΔTLM) pour une surface de chauffe de 2 m2.

De l’Équation 13.2.1 : La température de conception de la vapeur peut maintenant être calculée, en utilisant l’Équation 2.5.5 : Cette température de saturation est équivalente à une pression de vapeur de 0,45 bar g. Cette pression est inférieure à la contre-pression de 0,5 bar g, et le système sera en situation de stall permanente.

Dans ce cas, si un steam trap à flotteur sphérique était installé, le condensat noierait en permanence l’échangeur de chaleur, son niveau variant en fonction des changements de charge. Les performances de fonctionnement pourraient être insatisfaisantes car la température de sortie secondaire aura tendance à fluctuer, et l’échangeur de chaleur pourrait tomber en panne prématurément en raison de la corrosion.

Si le système fonctionne en permanence en conditions de stall, un steam trap à flotteur sphérique est le mauvais choix pour cette application, et un piège-pompe doit être installé à la place. Considérons le fournisseur ‘Y’ Pour que le fabricant dimensionne la surface de chauffe qui correspond le mieux aux conditions de conception, il est nécessaire de trouver la surface de chauffe minimale qui satisfera la pleine charge de fonctionnement. Il est d’abord nécessaire de déterminer le LMTD nominal pour l’échangeur de chaleur avec une pression de l’espace vapeur de 4 bar g (TS = 152°C).

De l’Équation 2.5.5 : De sa gamme standard, le fournisseur ‘Y’ peut fournir un échangeur de chaleur à plaques qui répond aux spécifications avec une surface de chauffe de 1,198 m2. Celui-ci est surdimensionné (d’environ 5%) et la pression de vapeur sera donc inférieure à 4 bar g dans les conditions de fonctionnement à pleine charge.

En pratique, les échangeurs de chaleur sont susceptibles dêtre spécifiés au moins 10% au-dessus de la capacité. C'est pour cette raison que la pression de vapeur de fonctionnement (et non la pression de travail normale citée) doit toujours être établie avant de sélectionner et de dimensionner le dispositif de purge de vapeur. Le fabricant réputé devrait être disposé à fournir cette information, ou, au moins, la surface de chauffe, la valeur 'U et la production thermique. À partir de ces données, le LMTD nominal peut être calculé, à partir duquel la pression de fonctionnement peut être trouvée.

Trouver le LMTD pour l’échangeur de chaleur avec une surface de chauffe de 1,198 m² : Cette température de saturation est équivalente à une pression de vapeur de 3,4 bar g dans les conditions de conception. Comme cette pression est supérieure à la contre-pression constante de 0,5 bar g, le système ne sera pas en situation de stall à pleine charge.

Quel est le débit de vapeur (ṁs) à pleine charge ?

Le débit massique de vapeur dépendra de la pression de l’espace vapeur, qui est de 3,4 bar g à pleine charge, avec une enthalpie d’évaporation de 2122 kJ/kg.

De l’Équation 2.8.1 : Quel est le TDC ? Il est maintenant nécessaire de trouver la charge thermique à laquelle le système sera en situation de stall. Pour ce faire, il est nécessaire de calculer le TDC pour cet échangeur de chaleur à partir des conditions de conception.

De l’Équation 13.2.2 : La condition de stall En situation de stall, la pression dans l’espace vapeur sera égale à la contre-pression de 0,5 bar g.

La température de saturation de la vapeur à 0,5 bar g est de 111,6°C.

De l’Équation 13.2.4, la température d’entrée peut être trouvée : Quelle est la charge thermique en situation de stall ? À partir de l’équation du débit de transfert de chaleur (Équation 2.6.5) : La sélection du dispositif de purge dépendra de savoir si la charge thermique minimale est supérieure ou inférieure à la charge de stall.

La charge minimale est indiquée comme étant de 60% de la pleine charge de 293 kW, par conséquent :

Charge minimale = 0,6 x 293 kW = 176 kW

Charge de stall = 138 kW

Comme la charge minimale est supérieure à la charge de stall, le système ne sera jamais en situation de stall. Il est donc pratique d’installer un steam trap à flotteur sphérique, car il y aura toujours une pression différentielle positive à ses bornes.

Cependant, le steam trap à flotteur sphérique doit être dimensionné pour supporter à la fois la pleine charge et la charge minimale, et il est donc nécessaire de calculer les débits de vapeur et les pressions d’espace vapeur correspondantes dans les deux conditions.

Il est d’abord nécessaire de calculer la température d’entrée secondaire à la charge minimale. Cela peut être prédit en utilisant l’Équation 13.4.1 : La condition de charge minimale

De l’Équation 13.2.3 :

C’est la température de vapeur à la charge minimale de 176 kW, et est équivalente à une pression de vapeur de 1,0 bar g. La pression du condensat est de 0,5 bar g. La pression différentielle à travers le steam trap à flotteur sphérique à la charge minimale est donc de 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar.

Quel est le débit de vapeur (ṁ (min)) à la charge thermique minimale de 176 kW ?

Le débit minimal de vapeur dépendra de la pression de l’espace vapeur, qui est de 1,0 bar g avec une enthalpie d’évaporation de 2201,1 kJ/kg.

De l’Équation 2.8.1 : Comme il a été établi que ce système ne sera pas en situation de stall, un steam trap à flotteur sphérique est approprié. Il est maintenant nécessaire de dimensionner un steam trap à flotteur sphérique pour un fonctionnement jusqu’à la pression différentielle maximale du système de 3,5 bar et de passer …

a) la pleine charge de 498 kg/h avec une pression différentielle de 3,4 bar g - 0,5 bar g = 2,9 bar g.

b) la charge minimale de 288 kg/h avec une pression différentielle de 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar g.

On peut voir sur le tableau de dimensionnement du steam trap à flotteur sphérique (Figure 13.4.1) qu’un DN25 (1”) FT14-4.5 satisfera à ces deux conditions, et pourrait être sélectionné. Cependant, si la charge thermique minimale était inférieure à la charge de stall, alors un piège-pompe devrait être sélectionné.

Les méthodes de sélection des dispositifs de purge sont discutées plus en détail dans le Module 13.8, « Méthodes pratiques de prévention du stall ».