Le circuit vapeur et condensat

Comment la vapeur est-elle produite, distribuée, contrôlée et utilisée ? Comment le condensat est-il recyclé ? Un aperçu de base d’un système vapeur.

Ce Module du circuit vapeur et condensat vise à donner un aperçu bref et non technique de l’installation vapeur. Il offre une explication globale de la manière dont les différentes parties de l’installation vapeur se rapportent les unes aux autres - et constitue une lecture utile pour quiconque n’est pas familier avec le sujet, avant de passer au Bloc suivant, ou, en effet, avant d’entreprendre toute forme d’étude détaillée de la théorie de la vapeur ou de l’équipement de l’installation vapeur.

La chaufferie

La chaudière La chaudière est le cœur du système vapeur. La chaudière préfabriquée moderne typique est alimentée par un brûleur qui envoie la chaleur dans les tubes de la chaudière. Les gaz chauds du brûleur passent en avant et en arrière jusqu’à 3 fois à travers une série de tubes pour obtenir un transfert de chaleur maximum à travers les surfaces des tubes vers l’eau de chaudière environnante. Une fois que l’eau atteint la température de saturation (la température à laquelle elle bout à cette pression), des bulles de vapeur sont produites, qui montent à la surface de l’eau et éclatent. La vapeur est libérée dans l’espace au-dessus, prête à entrer dans le système vapeur. La vanne d’arrêt ou vanne de couronne isole la chaudière et sa pression de vapeur du processus ou de l’installation. Si la vapeur est sous pression, elle occupera moins d’espace. Les chaudières vapeur fonctionnent généralement sous pression, de sorte que plus de vapeur peut être produite par une chaudière plus petite et transférée au point d’utilisation en utilisant des tuyauteries de petit diamètre. Lorsque nécessaire, la pression de vapeur est réduite au point d’utilisation. Tant que la quantité de vapeur produite dans la chaudière est aussi grande que celle qui sort de la chaudière, la chaudière restera sous pression. Le brûleur fonctionnera pour maintenir la pression correcte. Cela maintient également la température de vapeur correcte, car la pression et la température de la vapeur saturée sont directement liées. La chaudière possède un certain nombre d’accessoires et de contrôles pour garantir qu’elle fonctionne de manière sûre, économique, efficace et à une pression constante. Eau d’alimentation La qualité de l’eau fournie dans la chaudière est importante. Elle doit être à la température correcte, généralement autour de 80 °C, pour éviter le choc thermique à la chaudière et pour la maintenir en fonctionnement efficace. Elle doit également être de la qualité correcte pour éviter les dommages à la chaudière. L’eau potable ordinaire non traitée n’est pas entièrement adaptée aux chaudières et peut rapidement provoquer une mousse et un entartrage. La chaudière deviendrait moins efficace et la vapeur deviendrait sale et humide. La durée de vie de la chaudière serait également réduite. L’eau doit donc être traitée avec des produits chimiques pour réduire les impuretés qu’elle contient. Le traitement de l’eau d’alimentation et le chauffage ont lieu dans le réservoir d’eau d’alimentation, qui est généralement situé en hauteur au-dessus de la chaudière. La pompe d’alimentation ajoutera de l’eau à la chaudière lorsque nécessaire. Le chauffage de l’eau dans le réservoir d’alimentation réduit également la quantité d’oxygène dissous. C’est important, car l’eau oxygénée est corrosive. Blowdown Le dosage chimique de l’eau d’alimentation de la chaudière entraînera la présence de solides en suspension dans la chaudière. Ceux-ci s’accumuleront inévitablement au fond de la chaudière sous forme de boue, et sont éliminés par un processus connu sous le nom de blowdown de fond. Cela peut être fait manuellement - l’opérateur de chaudière utilisera une clé pour ouvrir une vanne de blowdown pendant une période définie, généralement deux fois par jour. D’autres impuretés restent dans l’eau de chaudière après le traitement sous forme de solides dissous. Leur concentration augmentera à mesure que la chaudière produit de la vapeur et par conséquent la chaudière doit être régulièrement purgée d’une partie de son contenu pour réduire la concentration. C’est ce qu’on appelle le contrôle des solides dissous totaux (contrôle TDS). Ce processus peut être effectué par un système automatique qui utilise soit une sonde à l’intérieur de la chaudière, soit une petite chambre de capteur contenant un échantillon d’eau de chaudière, pour mesurer le niveau de TDS dans la chaudière. Une fois que le niveau de TDS atteint un point de consigne, un contrôleur envoie un signal à la vanne de blowdown pour s’ouvrir pendant une période définie. L’eau perdue est remplacée par de l’eau d’alimentation avec une concentration en TDS plus faible, par conséquent le TDS global de la chaudière est réduit. Contrôle de niveau Si le niveau d’eau à l’intérieur de la chaudière n’était pas soigneusement contrôlé, les conséquences pourraient être catastrophiques. Si le niveau d’eau baisse trop et que les tubes de la chaudière sont exposés, les tubes de la chaudière pourraient surchauffer et céder, provoquant une explosion. Si le niveau d’eau devient trop élevé, l’eau pourrait pénétrer dans le système vapeur et perturber le processus. Pour cette raison, des contrôles de niveau automatiques sont utilisés. Pour se conformer à la législation, les systèmes de contrôle de niveau intègrent également des fonctions d’alarme qui fonctionneront pour arrêter la chaudière et alerter en cas de problème avec le niveau d’eau. Une méthode courante de contrôle de niveau consiste à utiliser des sondes qui détectent le niveau d’eau dans la chaudière. À un certain niveau, un contrôleur enverra un signal à la pompe d’alimentation qui fonctionnera pour rétablir le niveau d’eau, s’arrêtant lorsqu’un niveau prédéterminé est atteint. La sonde intégrera des niveaux auxquels la pompe est mise en marche et arrêtée, et auxquels les alarmes de niveau bas ou haut sont activées. Des systèmes alternatifs utilisent des flotteurs.

L’écoulement de la vapeur vers l’installation

Lorsque la vapeur se condense, son volume est considérablement réduit, ce qui entraîne une réduction localisée de la pression. Cette chute de pression à travers le système crée l’écoulement de la vapeur à travers les tuyaux. La vapeur produite dans la chaudière doit être acheminée à travers la tuyauterie jusqu’au point où son énergie thermique est requise. Initialement, il y aura une ou plusieurs conduites principales de vapeur qui transportent la vapeur depuis la chaudière dans la direction générale de l’installation utilisant la vapeur. Des conduites de dérivation plus petites peuvent ensuite distribuer la vapeur aux différents équipements. La vapeur à haute pression occupe un volume inférieur à celui à pression atmosphérique. Plus la pression est élevée, plus le diamètre de tuyauterie nécessaire pour la distribution d’une masse donnée de vapeur est petit. Qualité de la vapeur Il est important de s’assurer que la vapeur quittant la chaudière est livrée au processus dans le bon état. Pour y parvenir, la tuyauterie qui transporte la vapeur autour de l’installation intègre normalement des filtres, des séparateurs et des purgeurs de vapeur. Un filtre est une forme de tamis dans la tuyauterie. Il contient un maillage à travers lequel la vapeur doit passer. Tout débris passant sera retenu par le maillage. Un filtre doit être nettoyé régulièrement pour éviter le colmatage. Les débris doivent être éliminés du flux de vapeur car ils peuvent être très dommageables pour l’installation, et peuvent également contaminer le produit final. La vapeur doit être aussi sèche que possible pour garantir qu’elle transporte efficacement la chaleur. Un séparateur est un corps dans la tuyauterie qui contient une série de plaques ou déflecteurs qui interrompent le trajet de la vapeur. La vapeur frappe les plaques, et toute goutte d’humidité dans la vapeur s’y collecte, avant de s’écouler par le bas du séparateur. La vapeur passe de la chaudière dans les conduites principales. Initialement, la tuyauterie est froide et la chaleur y est transférée depuis la vapeur. L’air entourant les tuyaux est également plus frais que la vapeur, de sorte que la tuyauterie commencera à perdre de la chaleur vers l’air. L’isolant installé autour du tuyau réduira considérablement cette perte de chaleur. Lorsque la vapeur du système de distribution pénètre dans l’équipement utilisant la vapeur, la vapeur cédera à nouveau de l’énergie en : a) réchauffant l’équipement et b) continuant à transférer la chaleur au processus. À mesure que la vapeur perd de la chaleur, elle se retransforme en eau. Inévitablement, la vapeur commence à faire cela dès qu’elle quitte la

chaudière. L’eau qui se forme est connue sous le nom de condensat, qui a tendance à s’écouler vers le fond du tuyau et est entraînée avec le flux de vapeur. Cela doit être éliminé des points les plus bas de la tuyauterie de distribution pour plusieurs raisons :

• Le condensat ne transmet pas efficacement la chaleur. Un film de condensat à l’intérieur de l’installation réduira l’efficacité du transfert de chaleur.
• Lorsque l’air se dissout dans le condensat, il devient corrosif.
• L’accumulation de condensat peut provoquer des coups de bélier bruyants et dommageables.
• Un drainage inadéquat entraîne des fuites aux joints. Un dispositif appelé purgeur de vapeur est utilisé pour libérer le condensat de la tuyauterie tout en empêchant la vapeur de s’échapper du système. Il peut le faire de plusieurs manières :
• Un purgeur à flotteur utilise la différence de densité entre la vapeur et le condensat pour actionner une vanne. Lorsque le condensat entre dans le purgeur, un flotteur est soulevé et le mécanisme de levier du flotteur ouvre la vanne principale pour permettre au condensat de s’écouler. Lorsque le débit de condensat diminue, le flotteur descend et ferme la vanne principale, empêchant ainsi l’échappement de la vapeur.
• Les purgeurs thermodynamiques contiennent un disque qui s’ouvre au condensat et se ferme à la vapeur.
• Dans les purgeurs thermostatiques bimétalliques, un élément bimétallique utilise la différence de température entre la vapeur et le condensat pour actionner la vanne principale.
• Dans les purgeurs thermostatiques à pression équilibrée, une petite capsule remplie de liquide sensible à la chaleur actionne la vanne. Une fois que la vapeur a été utilisée dans le processus, le condensat résultant doit être évacué de l’installation et renvoyé à la chaufferie. Ce processus sera examiné plus loin dans ce Module. Réduction de pression Comme mentionné précédemment, la vapeur est généralement produite à haute pression, et la pression peut devoir être réduite au point d’utilisation, soit en raison des limites de pression de l’installation, soit des limites de température du processus. Cela est réalisé à l’aide d’une vanne de réduction de pression.

La vapeur au point d’utilisation

Il existe une grande variété d’installations utilisant la vapeur. Quelques exemples sont décrits ci-dessous :

• Marmites à double enveloppe - Grandes marmites en acier ou en cuivre utilisées dans l’industrie alimentaire et d’autres industries pour faire bouillir des substances - n’importe quoi, des crevettes à la confiture. Ces grandes marmites sont entourées d’une enveloppe remplie de vapeur, qui sert à chauffer le contenu.
• Autoclave - Une chambre remplie de vapeur utilisée à des fins de stérilisation, par exemple du matériel médical, ou pour effectuer des réactions chimiques à hautes températures et pressions, par exemple la vulcanisation du caoutchouc.
• Batterie de chauffage - Pour le chauffage des locaux, la vapeur est fournie aux serpentins d’une batterie de chauffage. L’air à chauffer passe sur les serpentins.
• Chauffage de cuve de processus - Un serpentin rempli de vapeur dans une cuve de liquide utilisé pour chauffer le contenu à la température souhaitée.
• Vulcaniseur - Un grand récipient rempli de vapeur et utilisé pour durcir le caoutchouc.
• Onduleuse - Une série de rouleaux chauffés à la vapeur utilisés dans le processus d’ondulation dans la production de carton.
• Échangeur de chaleur - Pour chauffer des liquides à usage domestique/industriel. Contrôle du processus Toute installation utilisant la vapeur nécessitera une méthode pour contrôler le flux de vapeur. Un flux constant de vapeur à la même pression et température n’est souvent pas ce qui est requis - un flux augmentant progressivement sera nécessaire au démarrage pour réchauffer doucement l’installation, et une fois que le processus atteint la température souhaitée, le flux doit être réduit. Les vannes de régulation sont utilisées pour contrôler le flux de vapeur. L’actionneur, voir Figure 1.3.6, est le dispositif qui applique la force pour ouvrir ou fermer la vanne. Un capteur surveille les conditions dans le processus et transmet les informations au contrôleur. Le contrôleur compare l’état du processus avec la valeur de consigne et envoie un signal correctif à l’actionneur, qui ajuste le réglage de la vanne.

Il existe une variété de types de contrôle :

• Vannes à actionnement pneumatique - De l’air comprimé est appliqué à un diaphragme dans l’actionneur pour ouvrir ou fermer la vanne.
• Vannes à actionnement électrique - Un moteur électrique actionne la vanne.
• Auto-activant - Il n’y a pas de contrôleur à proprement parler - le capteur a un remplissage liquide qui se dilate et se contracte en réponse à un changement de température du processus. Cette action applique une force pour ouvrir ou fermer la vanne.

Élimination du condensat de l’installation

Souvent, le condensat qui se forme s’écoulera facilement de l’installation à travers un purgeur de vapeur. Le condensat entre dans le système de drainage du condensat. S’il est contaminé, il sera probablement envoyé à l’égout. Sinon, l’énergie thermique précieuse qu’il contient peut être conservée en le renvoyant au réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière. Cela économise également sur les coûts d’eau et de traitement de l’eau. Parfois, un vide peut se former à l’intérieur de l’installation utilisant la vapeur. Cela entrave le drainage du condensat, mais un drainage approprié de l’espace vapeur maintient l’efficacité de l’installation. Le condensat peut alors devoir être pompé. Des pompes mécaniques (alimentées par la vapeur) sont utilisées à cette fin. Celles-ci, ou des pompes électriques, sont utilisées pour relever le condensat vers le réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière.

Une pompe mécanique, voir Figure 1.3.7, est montrée en train de drainer un élément d’installation. Comme on peut le voir, le système vapeur et condensat représente une boucle continue.

Une fois que le condensat atteint le réservoir d’alimentation, il devient disponible pour la chaudière pour recyclage. Surveillance énergétique Dans l’environnement énergétiquement conscient d’aujourd’hui, il est courant pour les clients de surveiller la consommation énergétique de leur installation. Les débitmètres vapeur sont utilisés pour surveiller la consommation de vapeur, et pour attribuer les coûts aux différents départements ou éléments d’installation.