- Secondaire à débit variable - Température d’entrée constante - Température de sortie constante
Débit variable avec température d’entrée/sortie constante
Tous les échangeurs de chaleur ne sont pas tenus de fonctionner avec un débit secondaire constant. Les applications typiques pourraient inclure la fourniture d’eau chaude à des processus par lots tels que des cuves et des bacs. L’alimentation en eau chaude de chaque cuve est contrôlée soit par une vanne à bille tout ou rien, soit par une vanne à pointeau modulante ; il n’y a pas de recirculation d’eau vers l’échangeur de chaleur. L’eau de complément froide est simplement chauffée en fonction de la demande d’eau chaude, comme illustré à la Figure 13.6.1. Une vanne de régulation modulante sur l’alimentation en vapeur de l’échangeur de chaleur régule la température de l’eau chaude prélevée. L’eau de complément froide peut être fournie par une canalisation sous pression, et sa température peut varier saisonnièrement. Sa température la plus basse probable doit être prise en compte lors de l’examen de la condition de stall.
Le stall chart peut également être utilisé dans ces types d’installations, mais la méthode de construction pour les échangeurs de chaleur à calandre et tubes est légèrement différente de celle utilisée pour un débit secondaire constant. Cette méthode est décrite ci-dessous.
La première partie de cette méthode est très similaire à celle montrée dans l’Exemple 13.5.1. En référence à la Figure 13.6.2, la température de vapeur dans l’échangeur de chaleur dans les conditions de pleine charge (Point A) doit être marquée sur l’axe vertical gauche. La température de sortie souhaitée du fluide secondaire doit ensuite être marquée sur l’axe vertical droit (Point B).
La température d’entrée du fluide secondaire (Point C) doit également être marquée sur l’axe vertical gauche.
La ligne horizontale représentant la contre-pression du système doit également être marquée sur ce graphique. Cette température doit être marquée sur l’axe vertical droit au point D, avec une ligne droite la reliant à la même température sur l’axe vertical gauche au point E.
En référence à la Figure 13.6.3, la ligne de charge secondaire BC doit être tracée reliant les points B et C. Une ligne horizontale doit ensuite être tracée depuis l’endroit où BC croise l’ordonnée de 50 % de charge, vers l’axe droit. Cela représente la température moyenne du fluide secondaire, et est indiquée comme point F.
Le point de température moyenne du fluide secondaire F doit ensuite être relié par une ligne droite diagonale au point de température de vapeur A dans l’échangeur de chaleur à pleine charge, créant la ligne AF.
La ligne de contre-pression DE coupera soit la ligne de vapeur AF, soit sera au-dessus du point A sur le graphique. Le point d’intersection entre les lignes AF et DE marque le point de stall, où la pression de vapeur et la contre-pression sont identiques. Une ligne verticale peut être abaissée depuis le point de stall, pour indiquer quand la condition de stall se produit.
Le point où cette ligne verticale croise l’axe horizontal inférieur (Point G) doit indiquer le pourcentage de charge. Comme dans l’exemple précédent, si la ligne DE est au-dessus du point A, le stall se produit dans toutes les conditions de charge.
Le pourcentage de charge de stall peut également être calculé à l’aide de l’Équation 13.6.1 :
La température de vapeur minimale
Il convient de noter que la température de vapeur de fonctionnement la plus basse est égale à la température de consigne au point B. Celle-ci est de 70°C dans le stall chart, Figure 13.6.4, et est représentée par le point H sur la ligne de vapeur AF.
En pratique, à mesure que la charge thermique diminue et que la température de vapeur approche la température de régulation secondaire au point H, les changements de température de vapeur se produisent lentement plutôt que le changement brutal suggéré au point H dans la Figure 13.6.4. La température de vapeur tendra à baisser d’une manière similaire à celle montrée dans la Figure 13.6.5. Il est difficile et inutile de tracer cette ligne sur un stall chart, tandis que la Figure 13.6.4 est pratique et facile à utiliser.
En se référant à la Figure 13.6.4, on peut voir dans cet exemple que la température de vapeur à toute charge inférieure à 37 % est de 70°C. En réalité, la baisse progressive de la température de vapeur ressemble davantage à celle illustrée dans la Figure 13.6.5, mais la différence est si faible qu’elle est insignifiante en ce qui concerne la sélection et le dimensionnement du dispositif de purge.
Exemple 13.6.1
La pression de vapeur à l’intérieur d’un échangeur de chaleur à calandre et tubes avec un débit secondaire variable à pleine charge est de 8 bar g, la pression dans la conduite de condensat est de 0,5 bar g, et il y a une remontée de 7 mètres après le purgeur. À pleine charge, le fluide secondaire entre dans l’échangeur de chaleur à 30°C et en sort à 90°C avec un débit de 3,64 L/s.
Quel est le pourcentage de charge au stall, et quel est le débit secondaire à travers l’échangeur de chaleur au stall ?
La température de saturation de la vapeur à 8 bar g est de 175°C. Par conséquent, la température de vapeur dans l’échangeur de chaleur à pleine charge est de 175°C. Celle-ci doit alors être tracée comme point A dans la Figure 13.6.6.
La température de sortie du fluide secondaire de 90°C doit être tracée comme point B, tandis que la température d’entrée du fluide secondaire de 30°C doit être tracée comme point C.
La remontée dans la conduite de condensat de 7 m crée une pression différentielle de 0,7 bar, en plus de la pression de 0,5 bar g dans la conduite de condensat. Par conséquent, la contre-pression totale du système est de 1,2 bar g. Comme la température de saturation de la vapeur à 1,2 bar g est de 123°C, la ligne horizontale DE représentant la contre-pression est tracée à cette température dans la Figure 13.6.6.
Dans cet exemple, le pourcentage de charge (Point G) est d’environ 55 %. Cela signifie que le débit du liquide secondaire doit diminuer à 55 % du débit maximum pour que le stall se produise, c’est-à-dire 55 % de 3,64 L/s = 2 L/s. Cela peut être vérifié mathématiquement en utilisant l’Équation 13.6.1.
La plupart des applications d’échangeurs de chaleur seront soit à débit variable soit à température variable comme décrit ci-dessus et dans les Modules précédents du Bloc 13.
Il peut cependant aussi y avoir des cas où à la fois le débit et la température d’entrée du fluide secondaire varient. Dans ces exemples, il devient plus difficile de déterminer leur effet combiné par interprétation du stall chart. Des systèmes de ce type peuvent être analysés en comparant les résultats des deux méthodes montrées ci-dessus et en utilisant le pire cas.