Jauges, hublots et coupe-vide

Ces petits éléments d’équipement ont une variété d’applications importantes dans les systèmes vapeur et les équipements de processus. Les différents types disponibles sont étudiés dans ce tutoriel.

Jauges

Manomètres Des manomètres doivent être installés dans au moins les situations suivantes :

• En amont d’une vanne de réduction de pression - Pour surveiller l’intégrité de l’alimentation en vapeur.
• En aval d’une vanne de réduction de pression - Pour régler et surveiller la pression aval. Les variations de la pression aval peuvent entraîner une réduction de la productivité de l’installation et de la qualité du produit. Les variations de la pression aval peuvent également indiquer des problèmes avec la vanne de réduction de pression.
• Sur les réservoirs de blowdown - Un manomètre est utilisé pour vérifier la pression du réservoir pendant le blowdown. Cela améliore la sécurité, car une pression plus élevée que la normale donnerait une indication précoce d’un colmatage de la tuyauterie.
• Réservoirs de vapeur flash - Pour surveiller la pression de la vapeur flash. Le manomètre à tube de Bourdon est le type le plus couramment utilisé dans les systèmes vapeur. Il se compose d’un tube enroulé ou en forme de « C » qui est scellé à une extrémité et ouvert à l’autre. L’extrémité ouverte du tube de Bourdon est exposée au fluide de processus, lui permettant de s’écouler dans le tube. Toute augmentation de pression provoque une déformation élastique du tube, le faisant se dérouler. Le déplacement résultant de l’extrémité fermée du tube est traduit par une série d’engrenages en un déplacement angulaire du pointeur. La position du pointeur est donc proportionnelle à la pression appliquée au raccord de pression du manomètre. Typiquement, la déflexion maximale du tube de Bourdon correspond à un déplacement angulaire du pointeur de 270°. Le tube peut être construit à partir d’un certain nombre de matériaux différents, selon l’application ; généralement, le laiton ou le bronze est utilisé pour les pressions plus élevées, tandis que l’acier inoxydable est utilisé pour les pressions plus faibles.

Les manomètres à tube de Bourdon ont souvent l’option d’être remplis de liquide. La zone entourant le tube de Bourdon est remplie d’un liquide transparent, normalement de la glycérine. Cela protège les mécanismes internes contre les dommages causés par les vibrations sévères et empêche l’entrée de substances corrosives ambiantes et de condensation. Cela amortit également le mouvement du pointeur, rendant le manomètre moins sensible aux petites fluctuations de pression transitoires.

Comme le tube de Bourdon peut être endommagé par les hautes températures, il est courant dans les systèmes vapeur d’installer le manomètre à l’extrémité d’un tube siphon. Le tube siphon est rempli d’eau qui transmet la pression du fluide de travail au tube de Bourdon, permettant au manomètre d’être situé à une certaine distance du point réel où la pression est mesurée. Les deux formes les plus courantes de tube siphon sont les types en « U » et en anneau. Le tube en anneau est utilisé sur les tuyauteries horizontales où il y a suffisamment d’espace au-dessus du tuyau, et le type en « U » est utilisé lors du montage du manomètre sur une tuyauterie verticale, ou sur des tuyauteries horizontales où il n’y a pas assez d’espace pour un siphon en anneau.

Le manomètre à tube de Bourdon n’est pas adapté à l’utilisation avec des liquides corrosifs ou des fluides contenant des solides en suspension seuls, car ces solides peuvent endommager les éléments internes du manomètre. Dans de tels cas, il est nécessaire de séparer le fluide de processus du tube de Bourdon.

Cela se fait en montant un diaphragme flexible sur l’entrée du manomètre. L’élément de pression du manomètre et l’espace derrière le diaphragme forment un système complètement scellé, qui est évacué puis rempli d’un liquide de remplissage approprié ; dans le cas de la vapeur, c’est typiquement un type d’huile. La pression du système provoque la déflexion du diaphragme, et la pression est transmise à travers le liquide de remplissage au tube de Bourdon. Des joints à membrane doivent également être utilisés sur les applications de « vapeur propre » où aucun « espace mort » n’est autorisé. En plus du manomètre à tube de Bourdon, plusieurs autres types de manomètres sont disponibles, notamment : les manomètres à membrane, les manomètres piézorésistifs et les thermomètres. Manomètres à membrane Une membrane métallique est serrée entre deux brides et est exposée au fluide de pression d’un côté. La pression exercée par le fluide provoque une déflexion élastique de la membrane. La quantité de déflexion est proportionnelle à la pression appliquée sur la membrane et elle provoque le déplacement linéaire d’une tige de liaison fixée au côté intérieur de la membrane. Le mouvement de la tige de liaison est à son tour traduit en mouvement angulaire du pointeur du manomètre par une série d’engrenages. Ainsi, le mouvement du pointeur est proportionnel à la pression exercée sur la membrane. La membrane sert également à isoler le fluide des éléments internes du manomètre ; par conséquent, les manomètres à membrane sont adaptés à la plupart des types de fluides.

Manomètres piézorésistifs Ces manomètres se composent d’une membrane en substrat céramique ; des jauges de déformation de type piézorésistif sont collées à la membrane et, avec la circuiterie nécessaire, elles sont intégrées sur une puce de silicium. La membrane se déforme avec les changements de pression, provoquant un changement dans l’équilibre du pont de jauges de déformation. Cela est converti par le module de circuit intégré en un signal électronique proportionnel à la pression. Le signal de sortie peut être envoyé à un affichage numérique local ou être converti en un signal de sortie 4-20 mA pour la transmission à distance. Ces manomètres sont très sensibles et sont utilisés là où une mesure précise de la pression est requise. Comme ils produisent un signal de sortie électrique, il est possible de les intégrer dans des systèmes de gestion de bâtiment. Thermomètres Bien qu’il existe une multitude de thermomètres différents disponibles, cinq types principaux sont susceptibles d’être rencontrés dans les systèmes vapeur, à savoir le type bimétallique, le type à système rempli, les thermistances, les thermocouples et les détecteurs de température à résistance (RTD).

• Le thermomètre bimétallique - Se compose d’un élément bimétallique enroulé. Le manomètre est basé sur le principe de la lame bimétallique, qui se compose de deux bandes métalliques, fabriquées dans des matériaux différents, liées l’une à l’autre. Les deux matériaux sont choisis pour avoir des coefficients de dilatation thermique différents. Les deux métaux se dilatent de quantités différentes lorsqu’ils sont chauffés, et comme ils ne peuvent pas se déplacer l’un par rapport à l’autre, la lame bimétallique se plie.

Lorsque la température de l’élément enroulé augmente, il a tendance à se dérouler. Le degré auquel cela se produit est indicatif de la température. Un pointeur est connecté au ressort par une série de liaisons, d’une manière similaire à celle du tube de Bourdon.

Les manomètres bimétalliques ont tendance à être peu coûteux, robustes et faciles à installer. Ils sont utilisés là où une indication visuelle simple et rapide de la température est requise.

• Autres méthodes de mesure de température -

sont traitées dans le Module 6.7, Régulateurs et capteurs. Ces types de capteurs de température sont utilisés lorsqu’un niveau plus élevé de précision est requis dans la mesure de la température, ou lorsque cette fonction doit être automatisée ou intégrée dans un système de gestion de bâtiment. Il est courant de placer une sonde de mesure de température dans un thermowell lorsqu’elle est installée dans un élément d’installation. Cela permet au capteur d’être retiré de la tuyauterie ou de l’équipement sans perturber l’intégrité du système. Une pâte conductrice de chaleur est utilisée dans le thermowell pour fournir de bonnes qualités de transfert de chaleur. Un domaine de préoccupation lors de l’installation d’un dispositif de mesure de température est de s’assurer qu’il prend une lecture représentative. Il est courant, en particulier dans les récipients contenant des liquides, qu’il y ait une sorte de stratification thermique du fluide, et la mesure de la température des récipients à différents niveaux peut produire des résultats différents. Les applications courantes des dispositifs de mesure de température comprennent les réservoirs d’eau d’alimentation de chaudière, la mesure des températures de produit et la mesure de la température de vapeur après désurchauffe.

Hublots

Un hublot, ou indicateur de débit visuel, fournit une méthode pour observer l’écoulement du fluide dans une tuyauterie. Il a deux fonctions principales :

• Indication - Les hublots sont utilisés pour indiquer si le fluide s’écoule correctement. Ils sont utilisés pour détecter les vannes, filtres, purgeurs de vapeur et autres équipements de tuyauterie obstrués, ainsi que pour détecter si un purgeur de vapeur fuit de la vapeur.
• Inspection - Les hublots peuvent être utilisés pour observer la couleur d’un produit à différentes étapes du processus de production. Lorsque les hublots sont utilisés pour indiquer le bon fonctionnement des purgeurs de vapeur à décharge par impulsion, ils doivent être positionnés au moins à 1 m en aval du purgeur. Pour les autres purgeurs, le hublot doit être positionné immédiatement après le purgeur. Les hublots ne fournissent pas une méthode exacte de surveillance du fonctionnement des purgeurs de vapeur. En pratique, une connaissance approfondie du système vapeur amont est requise et le diagnostic est souvent subjectif, dépendant de l’expérience de l’observateur. Par exemple, selon le débit de condensat, la pression et le schéma de décharge du purgeur, il peut être difficile de différencier si le purgeur de vapeur fuit de la vapeur ou si de la vapeur flash est générée après le purgeur de vapeur. Les hublots ont généralement été remplacés par des dispositifs électriques tels que les capteurs de conductivité, qui détectent l’inondation en amont du purgeur de vapeur, ou les purgeurs fuyants. Ces dispositifs ne nécessitent pas d’expertise en purgeurs de vapeur et produisent un résultat constamment précis. Hublots Le hublot a une réduction concentrique lisse dans le raccord d’entrée, qui favorise la turbulence dans le hublot lorsque le fluide y circule. L’écoulement turbulent à l’intérieur du hublot permet de détecter tout fluide. Les hublots sont disponibles avec des fenêtres de visualisation simples, doubles ou multiples.

Certains hublots peuvent être équipés d’une source lumineuse, ceux-ci sont utiles lorsque le hublot est installé dans une zone à faible éclairage ambiant, ou lorsqu’un hublot à fenêtre unique doit être utilisé, comme dans les réservoirs. Clapet visuel Le clapet visuel (voir Figure 12.6.7) est une combinaison d’un hublot et d’un clapet anti-retour. Une bille dans le haut du tube d’écoulement est soulevée de son siège par le fluide lorsqu’il traverse la fenêtre cylindrique vers le raccord de sortie. Lorsqu’il y a un écoulement inverse, la bille est forcée de revenir sur son siège à l’entrée. Le mouvement de la bille rend l’écoulement facile à voir, tout en fournissant une fermeture en écoulement inverse. Comme avec les hublots, le clapet visuel est utilisé pour observer la décharge des purgeurs de vapeur. Dans le clapet visuel, la position du clapet à bille indique si le condensat s’écoule. Lorsque le condensat s’élève après le purgeur, le clapet visuel élimine le besoin d’un clapet anti-retour séparé, simplifiant ainsi l’installation. Le clapet visuel est particulièrement utile pour la mise en service des purgeurs de vapeur équipés d’un déverrouillage de vapeur (SLR).

Coupe-vide

Les coupe-vide protègent les installations et les équipements de processus contre les conditions de vide, typiquement associées au refroidissement.

Le coupe-vide se compose d’une bille en acier inoxydable sphérique qui repose sur son siège pendant les conditions de fonctionnement normal. Au point de vide, la vanne est soulevée de son siège et l’air est aspiré dans le système.

Dans certains cas, la vanne peut être chargée par ressort, ce qui signifie que le vide n’est rompu que lorsqu’il y a une diminution supplémentaire de pression. Cela aide à garantir que la fermeture dans des conditions proches du vide reste parfaitement étanche.

L’une des applications les plus courantes d’un coupe-vide est sur les équipements de processus tels que les marmites à double enveloppe et les échangeurs de chaleur. Lorsque ces éléments sont éteints, ils contiennent encore une certaine quantité de vapeur. La vapeur se condense à mesure que le récipient se refroidit, et comme le condensat occupe un volume beaucoup plus petit que la vapeur, des conditions de vide sont générées. Le vide peut endommager l’installation et il est donc nécessaire d’installer un coupe-vide sur l’entrée de vapeur de tels équipements ou sur le corps de l’installation. La même situation peut se produire sur les conduites principales de vapeur et les chaudières. Une application courante des coupe-vide est sur les échangeurs de chaleur à température contrôlée susceptibles de subir un stall (voir Bloc 13). Sur les échangeurs de chaleur plus petits drainant vers l’atmosphère, la condition de stall peut être évitée en installant un coupe-vide sur l’entrée de vapeur de l’échangeur de chaleur. Lorsque le vide est atteint dans l’espace vapeur, le coupe-vide s’ouvre pour permettre au condensat de s’écouler vers le purgeur de vapeur.

En général, il n’est pas souhaitable d’introduire de l’air dans l’espace vapeur, car il agit comme une barrière au transfert de chaleur et réduit la température effective de la vapeur (se référer au Module 2.4). Cela devient un problème sur les échangeurs de chaleur plus grands, où il n’est pas conseillé d’utiliser un coupe-vide pour surmonter le stall. De plus, si le condensat est relevé après le purgeur de vapeur, par exemple dans une conduite de retour de condensat surélevée, le coupe-vide ne peut pas aider au drainage. Dans ces deux cas, il est nécessaire d’utiliser une méthode active d’élimination du condensat telle qu’une pompe-purgeur (se référer au Module 13.8).