Pertes de chaleur par évacuation d'air et résumé des diverses normes relatives aux tuyauteries

L’évacuation de l’air et des autres gaz incondensables des systèmes de steam, ainsi que la mise en place d’une isolation adéquate, sont essentielles pour garantir l’efficacité, la sécurité et les performances de l’installation de steam.

Évacuation de l’air

Lorsque le steam est admis pour la première fois dans une tuyauterie après une période d’arrêt, la tuyauterie est remplie d’air. Des quantités supplémentaires d’air et d’autres gaz non condensables entreront avec le steam, bien que les proportions de ces gaz soient normalement très faibles par rapport au steam. Lorsque le steam se condense, ces gaz s’accumuleront dans les tuyauteries et les échangeurs de chaleur. Des précautions doivent être prises pour les évacuer. La conséquence de la non-élimination de l’air est une période de réchauffement prolongée, et une réduction de l’efficacité de l’installation et des performances du processus. L’air dans un système de steam affectera également la température du système. L’air exercera sa propre pression dans le système, et sera ajouté à la pression du steam pour donner une pression totale. Par conséquent, la pression réelle du steam et la température du mélange steam/air seront inférieures à celles indiquées par un manomètre. Plus important encore est l’effet de l’air sur le transfert de chaleur. Une couche d’air de seulement 1 mm d’épaisseur peut offrir la même résistance à la chaleur qu’une couche d’eau de 25 μm d’épaisseur, une couche de fer de 2 mm d’épaisseur ou une couche de cuivre de 15 mm d’épaisseur. Il est donc très important d’éliminer l’air de tout système de steam. Des purgeurs d’air automatiques pour systèmes de steam (qui fonctionnent sur le même principe que les purgeurs de vapeur thermostatiques) doivent être installés au-dessus du niveau de condensat afin que seul l’air ou les mélanges steam/air puissent les atteindre. Le meilleur emplacement pour eux est à l’extrémité des collecteurs de steam comme le montre la Figure 10.5.1. L’évacuation d’un purgeur d’air doit être raccordée par tuyauterie à un endroit sûr. En pratique, une ligne de condensat descendant vers un réservoir de récupération ventilé peut accepter l’évacuation d’un purgeur d’air.

L’évacuation d’un purgeur d’air doit être raccordée par tuyauterie à un endroit sûr. En pratique, une ligne de condensat descendant vers un réservoir de récupération ventilé peut accepter l’évacuation d’un purgeur d’air.

En plus de l’évacuation de l’air à l’extrémité d’un collecteur, des purgeurs d’air doivent également être installés :

• En parallèle avec un purgeur à godet inversé ou, dans certains cas, un purgeur thermodynamique. Ces purgeurs sont parfois lents à évacuer l’air au démarrage.
• Dans des espaces de steam difficiles d’accès (comme le côté opposé à l’entrée de steam dans une cuve à double enveloppe).
• Lorsqu’il y a un grand espace de steam (comme un autoclave), et qu’un mélange steam/air pourrait affecter la qualité du processus.

Réduction des pertes de chaleur

Même lorsqu’un collecteur de steam s’est réchauffé, le steam continuera à se condenser car la chaleur est perdue par rayonnement. Le taux de condensation dépendra de la température du steam, de la température ambiante et de l’efficacité de l’isolant de la tuyauterie. Pour qu’un système de distribution de steam soit efficace, des mesures appropriées doivent être prises pour s’assurer que les pertes de chaleur sont réduites au minimum économique. L’épaisseur d’isolation la plus économique dépendra de plusieurs facteurs :

• Coût d’installation.
• La chaleur transportée par le steam.
• La dimension de la tuyauterie.
• La température de la tuyauterie. Lors de l’isolation des tuyauteries extérieures, l’humidité et la vitesse du vent doivent être prises en compte. L’efficacité de la plupart des matériaux isolants repose sur des cellules d’air microscopiques maintenues dans une matrice de matériau inerte telle que la laine de roche, la fibre de verre ou le silicate de calcium. Les installations typiques utilisent de la fibre de verre gainée d’aluminium, de la laine de roche gainée d’aluminium et du silicate de calcium. Il est important que le matériau isolant ne soit pas écrasé ni laissé gorgé d’eau. Une protection mécanique adéquate et l’étanchéité à l’eau sont essentielles, en particulier en extérieur. La perte de chaleur d’une tuyauterie de steam vers l’eau, ou vers un isolant mouillé, peut être jusqu’à 50 fois supérieure à celle de la même tuyauterie vers l’air. Un soin particulier doit être pris pour protéger les lignes de steam traversant des terrains gorgés d’eau, ou dans des caniveaux, qui pourraient être sujets aux inondations. La même chose s’applique à la protection de l’isolation contre les dommages causés par des échelles, etc., pour éviter la pénétration d’eau de pluie. Il est important d’isoler toutes les parties chaudes du système à l’exception des safety valves. Cela inclut tous les joints bridaux sur les collecteurs, ainsi que les vannes et autres raccords. Il était autrefois courant de couper l’isolation de chaque côté d’un joint bridal, pour laisser accès aux boulons pour la maintenance. Cela équivaut à laisser environ 0,5 m de tuyauterie nue. Heureusement, les couvertures isolantes préfabriquées pour joints brideaux et vannes sont désormais plus largement disponibles. Elles sont généralement munies de fixations pour pouvoir être facilement démontées afin de permettre l’accès pour la maintenance.

Calcul du transfert de chaleur

Le calcul des pertes de chaleur des tuyauteries peut être très complexe et long, et suppose que des données obscures concernant l’épaisseur de paroi des tuyaux, les coefficients de transfert de chaleur et diverses constantes dérivées sont facilement disponibles, ce qui, en général, n’est pas le cas. Les dérivations de ces formules sortent du cadre de ce Module, mais des informations supplémentaires peuvent être facilement trouvées dans tout bon manuel de thermodynamique. De plus, une abondance de logiciels informatiques contemporains est disponible pour l’ingénieur averti. Cela dit, les pertes de chaleur des tuyauteries peuvent être facilement déterminées en se référant au Tableau 10.5.1 et à une équation simple (Équation 2.12.2). Le tableau suppose des conditions ambiantes comprises entre 10 - 21°C, et considère les pertes de chaleur de tuyauteries horizontales nues de différentes tailles contenant du steam à diverses pressions.

Tableau 10.5.1 Émission de chaleur des tuyauteries

Note : Émission de chaleur des tuyauteries horizontales nues avec des températures ambiantes comprises entre 10°C et 20°C et conditions d’air calme

D’autres facteurs peuvent être inclus dans l’équation, par exemple, si une tuyauterie est isolée fournissant une réduction des pertes de chaleur à 10 % de la tuyauterie non isolée, alors elle est multipliée par un facteur de 0,1.

Note : La constante 3,6 donne la réponse en kg/h Longueurs équivalentes :

• Paire de brides accouplées 0,5 m
• Vanne de dimension nominale 1,0 m Exemple 10.5.1 50 m de tuyauterie de 100 mm possèdent 8 paires de brides et deux vannes, et transportent du steam saturé à 7 bar g. La température ambiante est de 10°C, et l’efficacité de l’isolation est donnée comme 0,1 En se référant au Tableau 10.5.1 et à l’application de l’Équation 10.5.1 : déterminer la quantité de steam qui sera condensée par heure : Partie 1 - Sans isolation. Partie 2 - Avec la tuyauterie isolée, mais les vannes et brides laissées sans isolation. Partie 3 - Entièrement isolé. Longueur équivalente des raccords :
• (8 paires de brides @ 0,5 m) + (2 vannes @ 1,0 m) = 6,0 m de tuyauterie
• Steam saturé à 7 bar g :

Partie 1 - Sans isolation :

Partie 2 - Tuyauterie isolée, mais sans isolation sur les vannes et brides : Considérons les deux éléments séparément :

Partie 3 - Tuyauterie et raccords isolés :

Normes britanniques et internationales pertinentes

Des symboles ont été utilisés pour indiquer les normes techniquement équivalentes (=), et les normes liées (≠) respectivement.

Tableau 10.5.2

Résumé

Pour résumer le bloc « Distribution de steam » de La boucle de steam et de condensat, la liste de contrôle suivante peut être utilisée pour s’assurer qu’un système de distribution de steam fonctionnera de manière efficace et efficiente :