Échangeurs de chaleur surdimensionnés

Les échangeurs de chaleur sont souvent achetés surdimensionnés par rapport à la mission requise. Ce tutoriel examine les raisons, les effets qui en découlent et les exigences associées, telles que le dimensionnement des purgeurs pour les échangeurs surdimensionnés.

Les calculs précédents (Module 13.2) supposaient que l’échangeur de chaleur avait été dimensionné avec une surface de chauffage parfaite pour répondre au cahier des charges. Cela signifierait que l’échangeur de chaleur était exactement dimensionné pour la mission.

Ceci est très peu probable en pratique car le concepteur ou le prescripteur ajoute généralement d’autres facteurs, notamment ceux liés à l’encrassement et à l’incertitude des charges de fonctionnement maximales. Il est également peu probable que les fabricants puissent fournir des échangeurs de chaleur correspondant exactement à un cahier des charges. Comme les échangeurs de chaleur sous-dimensionnés sont impraticables, ils sont généralement achetés surdimensionnés.

Les conditions de fonctionnement définies dans l’Exemple 13.2.1, Partie « C », ont été reconsidérées dans l’Exemple 13.3.1 en ajoutant 15 % à la surface de chauffage requise pour tenir compte des imprévus.

La surface de chauffage requise est calculée à 1,09 m² (Exemple 13.2.1, Partie « C »), la surface de chauffage spécifiée pour l’Exemple 13.3.1 est donc de 1,09 + 15 % = 1,254 m².

La taille minimale que le fabricant peut fournir a une surface de chauffage de 1,31 m², représentant une surface de chauffage réelle d’environ 20 % supérieure à celle requise. Une surface de chauffage plus grande nécessite moins de pression de vapeur pour le même taux de transfert de chaleur, et c’est pourquoi la pression de vapeur dans un échangeur de chaleur surdimensionné sera inférieure pour la même charge thermique.

Comme la pression de vapeur est inférieure, la température de vapeur est inférieure, et le LMTD (différence de température moyenne logarithmique) de l’échangeur de chaleur sera également inférieur.

Pour déterminer la température de vapeur pour la condition de dimensionnement, il faut d’abord trouver le nouveau LMTD (ΔTLM) pour la surface de chauffage plus grande (voir Exemple 13.3.1).

Exemple 13.3.1

Le ΔTLM peut être trouvé en réarrangeant l’Équation 13.2.1 pour donner l’Équation 13.3.1 D’après l’Exemple 13.2.2, à pleine charge : La température d’entrée du fluide secondaire (T1) = 10°C

La température de sortie du fluide secondaire (T2) = 60°C

La nouvelle température de dimensionnement de la vapeur peut maintenant être déterminée à l’aide de l’Équation 2.5.5 : Cette température correspond à une pression de vapeur de 1,95 bar g. Lorsque l’échangeur de chaleur était parfaitement dimensionné dans le Module 13.2, la pression de vapeur était de 4 bar g. Dans cet exemple, avec un échangeur de chaleur surdimensionné de 20 %, la pression de vapeur est inférieure de 51 %.

Maintenant que la pression de vapeur a été prédite pour la condition de pleine charge, il est possible de calculer le débit de vapeur à pleine charge. En utilisant l’Équation 2.8.1, trouvez le débit de vapeur à la pleine charge thermique de 314,25 kW. À 1,95 bar g, les tables de vapeur indiquent que l’enthalpie de vaporisation est de 2 164,6 kJ/kg. Le débit de vapeur était de 536,6 kg/h dans l’échangeur de chaleur parfaitement dimensionné (Exemple 13.2.1), on peut donc constater qu’il y a une légère baisse (2,5 %) du débit massique. Cela est dû au fait que la vapeur a une enthalpie de vaporisation légèrement supérieure dans le plus grand échangeur de chaleur en raison de sa pression plus basse.

Détermination du TDC pour le plus grand échangeur de chaleur Maintenant que la température de vapeur a été déterminée pour l’échangeur de chaleur surdimensionné (à l’aide de l’équation LMTD [Équation 2.5.5]), il est possible de trouver son TDC à l’aide de l’Équation 13.2.2. À la charge thermique minimale : Lorsque l’échangeur de chaleur était parfaitement dimensionné dans l’Exemple 13.2.1, la température de vapeur était de 115,2°C à la charge thermique minimale de 188,5 kW.

Parce que l’échangeur de chaleur surdimensionné dans cet exemple est environ 20 % plus grand, la température de vapeur sera également inférieure à la charge thermique minimale. La charge thermique minimale reste la même que dans l’Exemple 13.2.1 et se produit lorsque la température d’entrée du fluide secondaire monte à 30°C. D’après l’Équation 13.2.3 : En comparant les deux échangeurs de chaleur à charge minimale, la température de vapeur est passée de 115,2°C dans l’échangeur de chaleur parfaitement dimensionné à 103,8°C dans l’échangeur de chaleur surdimensionné.

D’après les tables de vapeur, cette température de vapeur correspond à une pression de vapeur d’environ 0,15 bar g, et hfg = 2 247 kJ/kg. La pression de vapeur dans l’échangeur parfaitement dimensionné (à 115,2°C) était de 0,7 bar g.

En utilisant l’Équation 2.8.1, il est possible de trouver le débit de vapeur à la charge thermique minimale de 188,5 kW. Le débit de vapeur minimal était de 306 kg/h dans l’échangeur de chaleur parfaitement dimensionné (Exemple 3.2.1), on peut donc constater qu’il y a une baisse marginale du débit massique dans l’échangeur de chaleur surdimensionné à la charge thermique minimale. Cela est dû au fait que la vapeur a une enthalpie de vaporisation légèrement supérieure dans le plus grand échangeur de chaleur en raison de sa pression plus basse.

La pression de vapeur, le steam trap et l’évacuation efficace du condensat

Lorsque la vapeur cède sa chaleur à travers la surface de transfert thermique au fluide secondaire, elle se condense dans l’espace vapeur. Le condensat sort par la sortie de l’échangeur de chaleur et traverse un steam trap, qui piège la vapeur dans l’espace vapeur tout en permettant au condensat d’être librement évacué.

Si l’échangeur de chaleur n’a pas été spécifiquement conçu pour fonctionner avec un espace vapeur inondé par le condensat, la pression de vapeur doit être soigneusement étudiée pour s’assurer que l’échangeur de chaleur est correctement évacué du condensat. Toute stagnation d’eau dans l’espace vapeur réduira la surface de chauffage effective, et l’exigence de transfert de chaleur ne pourra être satisfaite que si l’échangeur est suffisamment (peut-être accidentellement) surdimensionné.

La capacité du steam trap dépend de son type, de la taille de son orifice et de la pression différentielle à ses bornes. La pression différentielle fournit l’énergie pour pousser le condensat à travers le purgeur, et est la différence entre la pression de vapeur dans l’échangeur de chaleur et la contre-pression exercée sur la sortie du purgeur par le système de condensat.

Si le steam trap évacue par gravité via un tuyau correctement dimensionné vers un récepteur de condensat ventilé ou une extrémité ouverte, la contre-pression doit être très proche de la pression atmosphérique. Dans ces conditions, la pression différentielle sur un tableau de dimensionnement peut simplement être lue comme la pression manométrique dans l’échangeur de chaleur.

Si, cependant, il y a une remontée après le purgeur (une élévation dans la conduite d’évacuation du purgeur), ou si la conduite d’évacuation du purgeur est sous-dimensionnée, ou si cette conduite est pressurisée pour toute autre raison, la contre-pression peut, à certains moments, être supérieure à la pression dans l’espace vapeur. Lorsque c’est le cas, la pression différentielle aux bornes du purgeur est inversée et est considérée comme une « pression différentielle négative ». La capacité du purgeur est alors nulle.

Comme on peut le voir dans les calculs ci-dessus, la pression de vapeur dans tout échangeur de chaleur est régie par sa taille et les conditions du fluide secondaire. Comme la capacité du steam trap dépend de la pression différentielle, il en résulte que les changements de pression de vapeur et de contre-pression affectent la capacité du steam trap en permanence. À mesure que la pression différentielle diminue, la capacité du steam trap diminuera. À condition que la pression différentielle soit positive et que le steam trap soit sélectionné et dimensionné en conséquence, la stagnation d’eau et ses problèmes associés ne se produiront pas.

Dimensionnement du steam trap pour l’échangeur de chaleur surdimensionné Les conditions à considérer sont :

• Pleine charge : 523 kg/h à 1,95 bar g dans l’espace vapeur
• Charge minimale : 302 kg/h à 0,15 bar g dans l’espace vapeur
• Contre-pression : Pression atmosphérique (0 bar g) Considérons, sur le tableau de capacité du purgeur à flotteur Figure 13.3.2, un steam trap à flotteur sphérique DN25 (1”) FT14-4.5. On peut voir qu’il laissera passer 850 kg/h à une pression différentielle de 1,95 bar. On peut également voir qu’à une pression différentielle de 0,15 bar, il laissera passer environ 370 kg/h. Dans cet exemple, considérons le purgeur monté sur l’échangeur de chaleur surdimensionné et évacuant par gravité vers un récepteur de condensat ventilé, comme illustré dans la Figure 13.3.1.

Pour assurer une évacuation correcte, le steam trap doit être capable de supporter toutes les charges entre les conditions de pleine charge et de charge minimale.

Comme la contre-pression du condensat est atmosphérique dans cet exemple, la pression minimale dans l’espace vapeur de 0,15 bar g est toujours supérieure à la contre-pression. On peut voir sur le tableau de capacité (Figure 13.3.2) que le purgeur a suffisamment de capacité aux charges minimale et maximale, le steam trap à flotteur sphérique DN25 (1”) FT14-4.5 est donc suffisamment grand.

Si, cependant, dans cet exemple, la contre-pression était supérieure à la pression de vapeur minimale de 0,15 bar g, le système serait en situation de stall quelque part dans la plage de fonctionnement normale. (Cela ne nécessiterait qu’une remontée d’un peu plus de 1,5 mètre après le purgeur pour provoquer cela). En conséquence, le purgeur devrait être sélectionné et dimensionné en fonction de la quantité de contre-pression. Avec des contre-pressions plus importantes, il peut être nécessaire d’installer un pump-trap.

Des conseils sur la façon de sélectionner le purgeur approprié pour un échangeur de chaleur sont donnés dans le Module 13.4.