Théorie de base de la désurchauffe

Le steam surchauffé a des avantages importants sur certaines applications, par exemple, lorsqu’il est utilisé dans les centrales électriques pour entraîner des turbines. Pour une utilisation efficace sur les applications de chauffage cependant, le steam doit être désurchauffé. Ce tutoriel traite de la théorie de base de la désurchauffe et des calculs associés.

Le steam surchauffé est du steam qui est à une température supérieure à la température de saturation pour la pression du steam. Par exemple, du steam à une pression de 3 bar g a une température de saturation de 143,762°C. Si de la chaleur supplémentaire devait être ajoutée à ce steam et que la pression restait à 3 bar g, il deviendrait surchauffé. Cette chaleur supplémentaire résulte en du steam qui :

• Est supérieur à la température de saturation.
• Contient plus d’énergie que le steam saturé.
• A un volume spécifique plus grand que le steam saturé. Les relations entre ces trois propriétés sont bien documentées et peuvent être trouvées dans la plupart des textes relatifs aux propriétés thermodynamiques du steam. Le steam surchauffé est principalement utilisé dans les centrales de production d’énergie comme force motrice pour les turbines. Un examen du cycle thermodynamique de Rankine démontrera que, pour entraîner des turbines, le steam surchauffé est thermiquement plus efficace que le steam saturé.

La surchauffe du steam présente d’autres avantages importants :

• Du steam humide dans une turbine entraînerait des gouttelettes d’eau et l’érosion des aubes de turbine, ainsi qu’une friction accrue.
• Des vitesses de pipeline plus élevées (jusqu’à 100 m/s) peuvent être utilisées. Cela signifie que des pipelines de distribution plus petits peuvent être utilisés (à condition que la chute de pression ne soit pas excessive).
• Pour les installations fonctionnant en continu, le steam surchauffé signifie qu’il n’y a pas de condensation dans les tuyauteries, par conséquent, il n’y a besoin de purgeurs de steam qu’au démarrage.

L’utilisation de steam surchauffé présente un certain nombre d’inconvénients :

Bien que le steam surchauffé contienne une grande quantité d’énergie thermique, cette énergie se présente sous trois formes ; l’enthalpie de l’eau, l’enthalpie de vaporisation (chaleur latente) et l’enthalpie de surchauffe. La majeure partie de l’énergie se trouve dans l’enthalpie de vaporisation, et l’énergie dans la surchauffe représente une proportion plus faible. Par exemple, prenons du steam surchauffé à 10 bar a et 300°C, alors :

Enthalpie de l’eau = 763 kJ/kg

Enthalpie de vaporisation = 2 015 kJ/kg

Enthalpie de surchauffe = 274 kJ/kg

• Le coefficient de transfert de chaleur lors de l’utilisation de steam surchauffé comme milieu de chauffage est variable, faible et difficile à quantifier avec précision. Cela rend le dimensionnement précis et la commande des équipements de transfert de chaleur difficiles, et entraînera également un échangeur de chaleur plus grand et plus coûteux. Une fois que le steam surchauffé est refroidi à la température de saturation, le coefficient de transfert de chaleur augmente de manière spectaculaire, et la température à laquelle le steam se condense à nouveau en eau est constante. Cela aide grandement au dimensionnement précis et à la commande des équipements de transfert de chaleur. La présence de coefficients de transfert de chaleur élevés associés au steam saturé conduit à des échangeurs de chaleur plus petits et moins coûteux que ceux qui utilisent du steam surchauffé.
• Certains processus (par exemple, les colonnes de distillation) fonctionnent moins efficacement lorsqu’ils sont alimentés en steam surchauffé.
• Les températures plus élevées du steam surchauffé peuvent signifier que des équipements de classe supérieure, et donc plus coûteux, sont nécessaires.
• La température plus élevée du steam surchauffé peut endommager les équipements sensibles. Ces inconvénients signifient que le steam surchauffé est généralement indésirable pour les applications de processus thermiques. Cependant, il existe des sites où du steam surchauffé est produit pour la production d’énergie, et il est économiquement logique de désurchauffer une partie de ce steam à un point du cycle de production d’énergie, puis de l’utiliser pour des applications de processus. (Plus d’informations sur le steam surchauffé peuvent être trouvées dans le Module 2.3).

Il existe également des sites où de grandes quantités de déchets sont utilisés comme combustible pour la chaudière. Si la quantité de déchets est suffisamment importante, alors du steam surchauffé peut être produit pour la production d’énergie.

Des exemples de ce type d’installation se trouvent dans les industries de la papeterie et du raffinage du sucre.

Dans les installations qui ont du steam surchauffé disponible pour une utilisation en processus, il est logique de distribuer le steam surchauffé vers des points éloignés de l’installation, car cela garantira que le steam reste sec.

Cela devient significatif s’il y a de longues longueurs de tuyau séparant le point de production et le point d’utilisation.

Désurchauffe de base du steam

La désurchauffe est le processus par lequel le steam surchauffé est ramené à son état saturé, ou la température de surchauffe est réduite. La plupart des desuperheaters utilisés pour rétablir l’état saturé produisent des températures de sortie approchant la saturation (typiquement à 3°C de la température de saturation au minimum). Des conceptions pour des températures de sortie supérieures à 3°C au-dessus de la saturation sont également possibles et souvent utilisées. Il existe fondamentalement deux grands types de desuperheaters :

• Type à contact indirect - Le milieu utilisé pour refroidir le steam surchauffé n’entre pas en contact direct avec celui-ci. Un liquide ou un gaz plus froid peut être employé comme milieu de refroidissement, par exemple, l’air ambiant. Des exemples de ce type de desuperheater sont les échangeurs de chaleur à tubes et calandre. Ici, le steam surchauffé est fourni d’un côté de l’échangeur de chaleur et un milieu plus froid est fourni de l’autre côté. À mesure que le steam surchauffé traverse l’échangeur de chaleur, la chaleur est perdue par le steam et acquise par le milieu de refroidissement. La température du steam désurchauffé pourrait être contrôlée soit par la pression d’entrée du steam surchauffé soit par le débit du liquide de refroidissement. La commande du débit de steam surchauffé à cette fin n’est généralement pas pratique et la plupart des systèmes ajustent le débit du milieu de refroidissement.
• Type à contact direct - Le milieu utilisé pour refroidir le steam surchauffé entre en contact direct avec celui-ci. Dans la plupart des cas, le milieu de refroidissement est le même fluide que la vapeur à désurchauffer, mais à l’état liquide. Par exemple, dans le cas des desuperheaters de steam, de l’eau est utilisée. Une station de désurchauffe à contact direct typique est montrée à la Figure 15.1.3. Lorsque le desuperheater est en fonctionnement, une quantité mesurée d’eau est ajoutée au steam surchauffé via un dispositif de mélange à l’intérieur du desuperheater. En entrant dans le desuperheater, l’eau de refroidissement s’évapore en absorbant la chaleur du steam surchauffé. Par conséquent, la température du steam est réduite.

La commande de la quantité d’eau à ajouter est généralement réalisée en mesurant la température du steam en aval du desuperheater. La température de consigne du steam désurchauffé serait typiquement de 3°C au-dessus de celle à la saturation. Par conséquent, dans de tels dispositifs, la pression d’entrée du steam surchauffé doit être maintenue constante.

Calculs de désurchauffe

La quantité d’eau ajoutée doit être suffisante pour refroidir le steam à la température désirée ; trop peu d’eau et le steam n’aura pas été suffisamment refroidi, trop et du steam saturé humide sera produit qui nécessitera un séchage par un séparateur.

En utilisant l’Équation 15.1.1, qui est basée sur la conservation de l’énergie, le besoin en liquide de refroidissement peut être déterminé facilement et rapidement : Exemple 15.1.1 Déterminer le débit de liquide de refroidissement requis pour les conditions dans le Tableau suivant :

Solution :

Les informations nécessaires peuvent être obtenues ou interpolées à partir des tables de vapeur imprimées ; les extraits pertinents sont montrés dans le Tableau 15.1.1 et le Tableau 15.1.2. Alternativement, les tables de vapeur en ligne de Spirax Sarco peuvent être utilisées. Les informations requises pour satisfaire l’Équation 15.1.1 sont donc :

m_dot - body text.jpgs = Débit massique de steam surchauffé = 10 000 kg/h

hs = Enthalpie à l’état de surchauffe (D’après les tables de vapeur 300°C à 10 bar a) = 3 052 kJ/kg

hcw = Enthalpie du liquide de refroidissement = 4,2 kJ/kg°C x 150°C = 630 kJ/kg

Détermination de l’enthalpie à l’état désurchauffé, hd :

D’après les tables de vapeur, la température de saturation (Ts) à 10 bar a est de 180°C, par conséquent à l’état désurchauffé requis, la température sera :

Ts + 5°C = 185°C

Interpolation entre l’enthalpie du steam à 10 bar a et sa température de saturation, et à 10 bar a et 200°C :

Enthalpie à 10 bar a, Ts (tables de steam saturé) = 2 778 kJ/kg

Enthalpie à 10 bar a, 200°C (tables de steam surchauffé) = 2 829 kJ/kg

Interpolation pour l’enthalpie à 10 bar a et 185°C : Enfin, application de l’Équation 15.1.1 : Notez que le steam désurchauffé est fourni à un débit de : 10 000 + 1 208 kg/h = 11 208 kg/h

fourni à un débit de :

10 000 + 1 208 Si l’exigence avait été de 10 000 kg/h de steam désurchauffé, le débit initial de steam surchauffé peut être déterminé en utilisant une simple méthode proportionnelle :