La vapeur - le fluide énergétique

Il est utile d’introduire le sujet de la vapeur en considérant ses nombreuses utilisations et avantages, avant d’aborder un aperçu de l’installation vapeur ou toute explication technique.

La vapeur a parcouru un long chemin depuis ses associations traditionnelles avec les locomotives et la révolution industrielle. La vapeur aujourd’hui est une partie intégrante et essentielle de la technologie moderne. Sans elle, nos industries alimentaire, textile, chimique, médicale, énergétique, de chauffage et de transport ne pourraient pas exister ou fonctionner comme elles le font.

La vapeur fournit un moyen de transporter des quantités contrôlables d’énergie depuis une chaufferie centralisée et automatisée, où elle peut être produite efficacement et économiquement, jusqu’au point d’utilisation. Ainsi, lorsque la vapeur se déplace dans une installation, elle peut être considérée de manière égale comme le transport et la fourniture d’énergie.

Pour de nombreuses raisons, la vapeur est l’une des marchandises les plus largement utilisées pour transporter l’énergie thermique. Son utilisation est répandue dans l’industrie pour un large éventail de tâches, de la production d’énergie mécanique au chauffage des locaux et aux applications de processus.

La vapeur est efficace et économique à produire

L’eau est abondante et peu coûteuse. Elle n’est pas dangereuse pour la santé et est écologiquement saine. Sous sa forme gazeuse, c’est un vecteur d’énergie sûr et efficace. La vapeur peut contenir cinq à six fois plus d’énergie potentielle qu’une masse équivalente d’eau.

Lorsque l’eau est chauffée dans une chaudière, elle commence à absorber de l’énergie. Selon la pression dans la chaudière, l’eau s’évaporera à une certaine température pour former de la vapeur. La vapeur contient une grande quantité d’énergie stockée qui sera finalement transférée au processus ou à l’espace à chauffer.

Elle peut être produite sous haute pression pour donner des températures de vapeur élevées. Plus la pression est élevée, plus la température est haute. Plus d’énergie thermique est contenue dans la vapeur à haute température, donc son potentiel de travail est plus grand. Les chaudières à corps cylindrique modernes sont compactes et efficaces dans leur conception, utilisant des passes multiples et une technologie de brûleur efficace pour transférer une très grande proportion de l’énergie contenue dans le combustible vers l’eau, avec un minimum d’émissions. Le combustible de la chaudière peut être choisi parmi diverses options, y compris les déchets combustibles, ce qui fait de la chaudière vapeur une option écologiquement saine parmi les choix disponibles pour fournir de la chaleur. Une chaufferie centralisée peut tirer parti des tarifs de gaz interruptible à bas prix, car tout combustible de secours approprié peut être stocké pour une utilisation lorsque l’approvisionnement en gaz est interrompu. Des systèmes de récupération de chaleur hautement efficaces peuvent pratiquement éliminer les coûts de blowdown, retourner du condensat précieux à la chaufferie et contribuer à l’efficacité globale du circuit vapeur et condensat.

La popularité croissante des systèmes de cogénération (CHP) démontre l’estime élevée pour les systèmes vapeur dans l’environnement actuel et les industries soucieuses de l’énergie.

La vapeur peut être distribuée facilement et économiquement au point d’utilisation

La vapeur est l’un des milieux les plus largement utilisés pour transporter la chaleur sur de longues distances. Parce que la vapeur circule en réponse à la chute de pression le long de la ligne, des pompes de circulation coûteuses ne sont pas nécessaires. En raison de la forte teneur en chaleur de la vapeur, seules des tuyauteries de diamètre relativement petit sont nécessaires pour distribuer la vapeur sous haute pression. La pression est ensuite réduite au point d’utilisation, si nécessaire. Cette disposition rend l’installation plus facile et moins coûteuse que pour certains autres fluides de transfert de chaleur. Dans l’ensemble, les coûts d’investissement et de fonctionnement inférieurs de la production de vapeur, de la distribution et des systèmes de retour de condensat signifient que de nombreux utilisateurs choisissent d’installer de nouveaux systèmes vapeur de préférence à d’autres

vecteurs énergétiques, tels que les systèmes à gaz, à eau chaude, électriques et à huile thermique.

La vapeur est facile à contrôler

En raison de la relation directe entre la pression et la température de la vapeur saturée, la quantité d’énergie fournie au processus est facile à contrôler, simplement en contrôlant la pression de vapeur saturée. Les contrôles vapeur modernes sont conçus pour répondre très rapidement aux changements de processus.

L’élément illustré à la Figure 1.1.4 est une vanne de régulation à deux voies et un ensemble d’actionneur pneumatique typiques, conçus pour une utilisation sur la vapeur. Sa précision est améliorée par l’utilisation d’un positionneur de vanne pneumatique.

L’utilisation de vannes à deux voies, plutôt que de vannes à trois voies souvent nécessaires dans les systèmes liquides, simplifie le contrôle et l’installation, et peut réduire les coûts d’équipement.

L’énergie est facilement transférée au processus

La vapeur offre un excellent transfert de chaleur. Lorsque la vapeur atteint l’installation, le processus de condensation transfère efficacement la chaleur au produit chauffé.

La vapeur peut entourer ou être injectée dans le produit chauffé. Elle peut remplir n’importe quel espace à une température uniforme et fournira de la chaleur en se condensant à une température constante ; cela élimine les gradients de température que l’on peut trouver le long de toute surface de transfert de chaleur - un problème qui est si souvent une caractéristique des huiles à haute température ou du chauffage à eau chaude, et peut entraîner des problèmes de qualité, tels que la déformation des matériaux en cours de séchage.

Parce que les propriétés de transfert de chaleur de la vapeur sont si élevées, la surface de transfert de chaleur requise est relativement petite. Cela permet l’utilisation d’installations plus compactes, plus faciles à installer et occupant moins d’espace dans l’usine. Une unité préfabriquée moderne pour l’eau chaude chauffée à la vapeur, d’une puissance nominale de 1 200 kW et incorporant un échangeur de chaleur à plaques vapeur et tous les contrôles, ne nécessite que 0,7 m² d’espace au sol. En comparaison, une unité préfabriquée incorporant un échangeur de chaleur à calandre et tubes couvrirait typiquement une surface de deux à trois fois cette taille.

L’installation vapeur moderne est facile à gérer

De plus en plus, les utilisateurs d’énergie industrielle cherchent à maximiser l’efficacité énergétique et à minimiser les coûts de production et les frais généraux. L’accord de Kyoto pour la protection du climat est une influence externe majeure qui alimente la tendance à l’efficacité énergétique, et a conduit à diverses mesures à travers le monde, telles que la taxe sur le changement climatique au Royaume-Uni. De plus, dans les marchés concurrentiels d’aujourd’hui, l’organisation avec les coûts les plus bas peut souvent obtenir un avantage important sur ses concurrents. Les coûts de production peuvent faire la différence entre la survie et l’échec sur le marché.

Les moyens d’accroître l’efficacité énergétique comprennent la surveillance et l’imputation de la consommation d’énergie aux départements concernés. Cela crée une prise de conscience des coûts et concentre la direction sur l’atteinte des objectifs. Les coûts variables peuvent également être minimisés en assurant une maintenance planifiée et systématique ; cela maximisera l’efficacité du processus, améliorera la qualité et réduira les temps d’arrêt.

La plupart des contrôles vapeur sont capables d’interagir avec les systèmes d’instrumentation et de contrôle en réseau modernes pour permettre un contrôle centralisé, comme dans le cas d’un système SCADA ou d’un système de gestion du bâtiment/de l’énergie. Si l’utilisateur le souhaite, les composants du système vapeur peuvent également fonctionner indépendamment (autonome).

Avec une maintenance appropriée, une installation vapeur durera de nombreuses années, et l’état de nombreux aspects du système est facile à surveiller de manière automatique. Par rapport à d’autres systèmes, la gestion et la surveillance planifiées des purgeurs de vapeur sont faciles à réaliser avec un système de surveillance des purgeurs, où toute fuite ou blocage est automatiquement localisé et immédiatement porté à l’attention de l’ingénieur.

Cela peut être comparé à l’équipement coûteux requis pour la surveillance des fuites de gaz, ou la surveillance manuelle chronophage associée aux systèmes à huile ou à eau.

En plus de cela, lorsqu’un système vapeur nécessite une maintenance, la partie concernée du système est facile à isoler et peut être vidée rapidement, ce qui signifie que les réparations peuvent être effectuées rapidement.

Dans de nombreux cas, il a été démontré qu’il est beaucoup moins coûteux de moderniser une installation vapeur ancienne avec des systèmes de contrôle et de surveillance sophistiqués, que de la remplacer par une méthode alternative de fourniture d’énergie, telle qu’un système décentralisé à gaz. Les études de cas mentionnées dans le Module 1.2 fournissent des exemples concrets.

La technologie de pointe d’aujourd’hui est très loin de la perception traditionnelle de la vapeur comme élément des machines à vapeur et de la révolution industrielle. En effet, la vapeur est le choix préféré de l’industrie aujourd’hui. Citez n’importe quelle marque grand public bien connue, et dans neuf cas sur dix, la vapeur aura joué un rôle important dans la production.

La vapeur est flexible

La vapeur n’est pas seulement un excellent vecteur de chaleur, elle est également stérile, et donc populaire pour une utilisation en processus dans les industries alimentaire, pharmaceutique et de la santé. Elle est également largement utilisée dans les hôpitaux à des fins de stérilisation.

Les industries dans lesquelles la vapeur est utilisée vont des grandes raffineries de pétrole et usines pétrochimiques aux petites blisseries locales. D’autres utilisations comprennent la production de papier, le textile, le brassage, la production alimentaire, le durcissement du caoutchouc, et le chauffage et l’humidification des bâtiments.

De nombreux utilisateurs trouvent pratique d’utiliser la vapeur comme même fluide de travail pour le chauffage des locaux et pour les applications de processus. Par exemple, dans l’industrie brassicole, la vapeur est utilisée de différentes manières pendant les différentes étapes du processus, de l’injection directe au chauffage par serpentin.

La vapeur est également intrinsèquement sûre - elle ne peut pas provoquer d’étincelles et ne présente aucun risque d’incendie. De nombreuses usines pétrochimiques utilisent des systèmes d’extinction d’incendie à la vapeur. Elle est donc idéale pour une utilisation dans les zones dangereuses ou les atmosphères explosives.

Autres méthodes de distribution d’énergie

Les alternatives à la vapeur comprennent l’eau et les fluides thermiques tels que l’huile à haute température. Chaque méthode a ses avantages et inconvénients, et sera la mieux adaptée à certaines applications ou plages de température.

Par rapport à la vapeur, l’eau a un potentiel inférieur de transport de chaleur, par conséquent de grandes quantités d’eau doivent être pompées à travers le système pour satisfaire les besoins de chauffage des processus ou des locaux. Cependant, l’eau est populaire pour les applications générales de chauffage des locaux et pour les processus à basse température (jusqu’à 120 °C) où une certaine variation de température peut être tolérée.

Les fluides thermiques, tels que les huiles minérales, peuvent être utilisés lorsque des températures élevées (jusqu’à 400 °C) sont requises, mais où la vapeur ne peut pas être utilisée. Un exemple serait le chauffage de certains produits chimiques dans des processus par lots. Cependant, les fluides thermiques sont coûteux et doivent être remplacés tous les quelques ans - ils ne conviennent pas aux grands systèmes. Ils sont également très « fuyants » et des connexions et joints de haute qualité sont essentiels pour éviter les fuites.

Les différents milieux sont comparés dans le Tableau 1.1.1 ci-après. Le choix final du milieu de chauffage dépend de l’obtention d’un équilibre entre les facteurs techniques, pratiques et financiers, qui seront différents pour chaque utilisateur.

De manière générale, pour le chauffage commercial et la ventilation, et les systèmes industriels, la vapeur reste le choix le plus pratique et le plus économique.

Tableau 1.1.1 Comparaison des milieux de chauffage avec la vapeur

Les avantages de la vapeur - un résumé

Tableau 1.1.2 Avantages de la vapeur