Fluides et écoulement

Les utilisateurs peuvent souhaiter mesurer le débit de steam pour aider à l’efficacité de l’installation, l’efficacité énergétique, la commande du processus ou les besoins de calcul des coûts. Ce tutoriel traite des caractéristiques des fluides en écoulement et des exigences de base pour une bonne pratique de mesure du steam.

« Lorsque vous pouvez mesurer ce dont vous parlez et l’exprimer en chiffres, vous en savez quelque chose ; mais lorsque vous ne pouvez pas le mesurer, lorsque vous ne pouvez pas l’exprimer en chiffres, vos connaissances sont maigres et insatisfaisantes. » William Thomson (Lord Kelvin) 1824 - 1907

Introduction

De nombreuses entreprises industrielles et commerciales ont maintenant reconnu la valeur de :

• La comptabilité des coûts énergétiques.
• L’économie d’énergie.
• Les techniques de surveillance et de ciblage. Ces outils permettent une plus grande efficacité énergétique. Le steam n’est pas le milieu le plus facile à mesurer. L’objectif de ce bloc est d’atteindre une meilleure compréhension des exigences permettant la mesure précise et fiable du débit de steam. La plupart des débitmètres actuellement disponibles pour mesurer le débit de steam ont été conçus pour mesurer le débit de divers liquides et gaz. Très peu ont été développés spécifiquement pour mesurer le débit de steam. Spirax Sarco souhaite remercier l’EEBPP (Energy Efficiency Best Practice Programme) de l’ETSU pour sa contribution à certaines parties de ce bloc.

Pourquoi mesurer le steam ?

Les débitmètres de steam ne peuvent pas être évalués de la même manière que les autres équipements ou programmes d’économie d’énergie. Le débitmètre de steam est un outil essentiel pour une bonne gestion du steam. Il fournit la connaissance de l’utilisation et du coût du steam qui est vitale pour une installation ou un bâtiment fonctionnant efficacement. Les principaux avantages de l’utilisation de la débitmétrie de steam incluent :

• L’efficacité de l’installation.
• L’efficacité énergétique.
• La commande du processus.
• La comptabilisation et la traçabilité. Efficacité de l’installation ****Un bon débitmètre de steam indiquera le débit de steam vers un élément d’installation sur toute la plage de son fonctionnement, c’est-à-dire depuis la mise hors tension des machines jusqu’à la pleine charge de l’installation. En analysant la relation entre le débit de steam et la production, les pratiques de travail optimales peuvent être déterminées. Le débitmètre montrera également la détérioration de l’installation au fil du temps, permettant un nettoyage ou un remplacement optimal de l’installation. Le débitmètre peut également être utilisé pour :

Cela peut conduire à des changements dans les méthodes de production pour garantir une utilisation économique du steam. Cela peut également réduire les problèmes liés aux pics de charge sur l’installation de chaudière. Efficacité énergétique Les débitmètres de steam peuvent être utilisés pour surveiller les résultats des programmes d’économie d’énergie et pour comparer l’efficacité d’un équipement avec un autre. Commande du processus Le signal de sortie d’un système de débitmétrie de steam approprié peut être utilisé pour commander la quantité de steam fournie à un processus, et indiquer qu’il est à la température et à la pression correctes. De plus, en surveillant le taux d’augmentation du débit au démarrage, un débitmètre de steam peut être utilisé en conjonction avec une control valve pour fournir une fonction de réchauffage lent. Comptabilisation et traçabilité Les débitmètres de steam peuvent mesurer l’utilisation du steam (et donc le coût du steam) soit de manière centralisée soit aux points d’utilisation individuels. Le steam peut être comptabilisé comme matière première à différentes étapes du processus de production, permettant ainsi de calculer le coût réel des lignes de produits individuelles. Pour comprendre la débitmétrie, il peut être utile d’approfondir certaines théories de base sur la mécanique des fluides, les caractéristiques du fluide à mesurer, et la manière dont il circule à travers les systèmes de tuyauteries.

Caractéristiques des fluides

Chaque fluide possède un ensemble unique de caractéristiques, incluant :

• La densité.
• La viscosité dynamique.
• La viscosité cinématique. Densité Cela a déjà été discuté dans le Bloc 2, Principes de l’ingénierie du steam et transfert de chaleur, cependant, en raison de son importance, les points pertinents sont répétés ici. La densité (ρ) définit la masse (m) par unité de volume (V) d’une substance (voir Équation 2.1.2). La densité de l’eau saturée et du steam saturé varie avec la température. Ceci est illustré à la Figure 4.1.1. Viscosité dynamique ****C’est la propriété interne que possède un fluide qui résiste à l’écoulement. Si un fluide a une viscosité élevée (par exemple l’huile lourde) il résiste fortement à l’écoulement. De plus, un fluide très visqueux nécessitera plus d’énergie pour le pousser à travers un tuyau qu’un fluide à faible viscosité. Il existe un certain nombre de manières de mesurer la viscosité, y compris l’utilisation d’une clé dynamométrique attachée à une pale et la tordre dans le fluide, ou la mesure de la rapidité avec laquelle un fluide s’écoule à travers un orifice. Une simple expérience de laboratoire scolaire démontre clairement la viscosité et les unités utilisées : Une sphère est laissée tomber à travers un fluide sous l’influence de la gravité. La mesure de la distance (d) à travers laquelle la sphère tombe et le temps (t) pris pour tomber sont utilisés pour déterminer la vitesse (u). L’équation suivante est ensuite utilisée pour déterminer la viscosité dynamique : Il y a trois remarques importantes à faire :

1. Le résultat de l’Équation 4.1.1 est appelé la viscosité absolue ou dynamique du fluide et est mesuré en pascal secondes. La viscosité dynamique est également exprimée comme « force visqueuse ».
2. Les éléments physiques de l’équation donnent un résultat en kg/m, cependant, les constantes (2 et 9) tiennent compte à la fois des données expérimentales et de la conversion des unités en pascal secondes (Pa s).
3. Certaines publications donnent des valeurs pour la viscosité absolue ou la viscosité dynamique en centipoise (cP), par exemple : 1 cP = 10-3 Pa s Exemple 4.1.1 Il faut 0,7 seconde à une bille en acier de 20 mm de diamètre (densité 7 800 kg/m3) pour tomber de 1 mètre dans de l’huile à 20°C (densité = 920 kg/m3).

Viscosité cinématique

Celle-ci exprime la relation entre la viscosité absolue (ou dynamique) et la densité du fluide (voir Équation 4.1.2). Exemple 4.1.2 Dans l’Exemple 4.1.1, la densité de l’huile est donnée comme étant de 920 kg/m3 - Maintenant déterminer la viscosité cinématique : Nombre de Reynolds (Re) Les facteurs introduits ci-dessus ont tous un effet sur l’écoulement des fluides dans les tuyaux. Ils sont tous rassemblés en une seule grandeur sans dimension pour exprimer les caractéristiques de l’écoulement, c’est-à-dire le nombre de Reynolds (Re).