Chauffage des cuves et réservoirs par injection de steam

L’injection directe de steam implique la décharge de bulles de steam dans un liquide à une température plus basse pour transférer la chaleur. Ce tutoriel explique le processus et les méthodes utilisées, y compris les calculs de heat transfer pertinents.

L’injection directe de steam implique la décharge d’une série de bulles de steam dans un liquide à une température plus basse. Les bulles de steam se condensent et cèdent leur chaleur au liquide environnant. La chaleur est transférée par contact direct entre la steam et le liquide, par conséquent cette méthode n’est utilisée que lorsque la dilution et l’augmentation de la masse du liquide sont acceptables. Le liquide chauffé est donc généralement de l’eau. L’injection directe de steam est rarement utilisée pour chauffer des solutions dans lesquelles une réaction chimique se produit, car la dilution de la solution réduirait le taux de réaction et abaisserait la productivité. L’injection directe de steam est la méthode la plus largement utilisée pour le chauffage des bacs d’alimentation de chaudières dans l’ensemble de l’industrie. Cette méthode est souvent choisie en raison de sa simplicité. Aucune surface de heat transfer ni ensemble de purgeur de steam n’est nécessaire, et il n’est pas nécessaire de considérer le système de retour de condensat.

Calculs de consommation de steam

Pendant l’injection directe de steam, la chaleur est transférée d’une manière différente de l’échange de chaleur indirect. Comme la chaleur n’est pas transférée à travers une surface et que la steam se mélange librement avec le fluide de processus chauffé, la quantité de chaleur utilisable dans la steam doit être calculée d’une manière différente. Cela peut être trouvé en utilisant l’Équation 2.11.1 :

L’Équation 2.11.1 montre que l’injection de steam utilise toute l’enthalpie d’évaporation (ou chaleur latente) et une proportion de l’enthalpie du liquide contenue dans la steam. La proportion réelle de l’enthalpie du liquide utilisée dépendra de la température de l’eau à la fin du processus d’injection.

Une différence majeure entre le chauffage indirect et l’injection directe de steam est que le volume (et la masse) du fluide de processus augmente à mesure que la steam est ajoutée, de la quantité de steam injectée. Une autre différence est que, lors du calcul du débit de steam vers un serpentin de steam, la pression dans le serpentin est considérée, mais pour l’injection de steam, la pression en amont de la vanne de régulation est considérée. Dans certains cas (où la surface du liquide n’est pas au niveau du trop-plein), cela augmentera la hauteur de liquide au-dessus de l’injecteur au fil du temps. Cependant, cette augmentation est susceptible d’être faible et est rarement prise en compte dans les calculs.

Facteurs influençant le taux de heat transfer

Dans l’Équation 2.11.1, le taux de consommation de steam est directement lié au besoin thermique. À moins que le système d’injection de steam ne soit conçu pour que toutes les conditions soient propices au heat transfer maximal, les bulles de steam peuvent simplement briser la surface du liquide et s’échapper dans l’atmosphère ; une partie de la chaleur contenue dans la steam sera perdue dans l’atmosphère et le taux de heat transfer réel vers l’eau sera inférieur à celui attendu. Dans le cas d’un serpentin immergé, le taux de heat transfer maximum au début de la période de réchauffage dépendra du débit de steam maximum autorisé à travers la vanne de régulation et sa tuyauterie associée, et de la production thermique maximale autorisée par l’aire de surface du serpentin. Pendant l’injection directe de steam, on pourrait s’attendre à ce que le taux de heat transfer maximum au tout début de la période de réchauffage dépende du débit maximal à travers la vanne de régulation et le tuyau ou l’injecteur lui-même. Cependant, comme suggéré ci-dessus, il dépendra également d’autres facteurs tels que :

• Taille de la bulle de steam La condensation d’une bulle de steam dépendra du heat transfer à travers la surface de la bulle. Pour s’assurer que la bulle de steam est complètement condensée, le rapport aire de surface/volume doit être aussi grand que possible. Les petites bulles ont une plus grande aire de surface par unité de volume que les grandes bulles, il est donc souhaitable de produire de très petites bulles. La pression différentielle (entre le tuyau de steam et le point où la steam est déchargée dans l’eau) lorsque la bulle émerge affectera également la taille de la bulle de steam. Le volume spécifique de la steam augmentera à mesure que la pression est réduite, de sorte qu’une chute de pression augmentera la taille de la bulle de steam lorsqu’elle s’échappe dans le liquide. Même si la bulle de steam est émise d’un très petit trou, la bulle peut augmenter considérablement de taille si la pression de steam est élevée. Par conséquent, une pression plus basse dans le tuyau de distribution est préférable.
• Hauteur de liquide au-dessus du point d’injection La hauteur de liquide au-dessus du point d’injection créera une contre-pression de sorte que la pression différentielle sera inférieure à la pression de steam. Si la hauteur de liquide est grande et la pression de steam dans le tuyau de distribution est basse, il n’y aura qu’un très petit changement de pression de sorte que la taille des bulles formées soit maintenue au minimum. Une plus grande hauteur de liquide au-dessus du point d’injection donnera aux bulles de steam un maximum d’opportunités de se condenser avant d’atteindre la surface.
• Vitesse de la bulle La vitesse de la bulle au point d’injection dépendra également de la différence entre la pression de steam et la hauteur de liquide. Il est souhaitable de maintenir cette pression différentielle aussi basse que possible, de sorte que les vitesses des bulles soient également aussi basses que possible et que les bulles aient le maximum de temps pour se condenser avant d’atteindre la surface.
• Température du liquide Le taux auquel la steam se condense est directement proportionnel à la différence de température entre la steam et le liquide chauffé. Comme pour tous les processus de heat transfer, le taux d’échange de chaleur est directement proportionnel à la différence de température. Il est toujours conseillé de s’assurer que la température du liquide est correctement contrôlée et maintenue au minimum requis pour l’application, de sorte que le taux de heat transfer maximum soit maintenu et qu’il n’y ait pas de gaspillage d’énergie.

C’est simplement un tuyau monté à l’intérieur du réservoir, avec des trous percés à des positions régulières (typiquement à 4 heures et 8 heures) vu de l’extrémité, espacés de manière égale le long de la longueur du tuyau, et avec l’extrémité obturée. La steam sort du tuyau par les trous sous forme de petites bulles, qui se condenseront comme prévu ou atteindront la surface du liquide (voir Figure 2.11.1).

Les tuyaux de distribution sont peu coûteux à fabriquer et faciles à installer, mais sont susceptibles de provoquer des niveaux élevés de vibrations et de bruit. Une méthode beaucoup plus efficace consiste à utiliser un injecteur de steam correctement conçu.

Exemple 2.11.1 - Déterminer la charge de steam pour chauffer un réservoir d’eau par injection de steam

Ces calculs (étapes 1 à 5) sont basés sur les Exemples 2.9.1 et 2.10.1 en ce qui concerne les pertes de chaleur, mais avec le réservoir contenant de l’eau (cp = 4,19 kJ/kg °C) au lieu d’une solution d’acide dilué et l’eau étant chauffée par injection de steam plutôt que par un serpentin de steam. Étape 1 - Trouvez l’énergie nécessaire pour chauffer 12 000 kg d’eau de 8 °C à 60 °C en 2 heures en utilisant l’Équation 2.6.1 :

La steam est fournie à la vanne de régulation à 2,6 bar g. Afin de calculer le débit de steam moyen, il est nécessaire de déterminer l’enthalpie totale dans la steam (hg) à cette pression. On peut voir du Tableau 2.11.1 (un extrait des tables de vapeur) que l’enthalpie totale de la steam (hg) à 2,6 bar g est de 2 733,89 kJ/kg.

Tableau 2.11.1 Extrait des tables de vapeur

Étape 2 - Trouvez le débit de steam moyen pour chauffer l’eau en utilisant l’Équation 2.11.1 :

Étape 3 - Trouvez le débit de steam moyen pour chauffer le matériau du réservoir (acier). De l’Exemple 2.9.1, le taux de heat transfer moyen pour le matériau du réservoir = Q̇(réservoir) = 14 kW. Le débit de steam moyen pour chauffer le matériau du réservoir est calculé en utilisant à nouveau l’Équation 2.11.1 :

Étape 4 - Trouvez le débit de steam moyen pour compenser les pertes de chaleur du réservoir pendant le réchauffage. De l’Exemple 2.9.1 :

Bien qu’il soit raisonnable d’accepter que l’enthalpie du liquide de la steam contribuera à l’augmentation de température de l’eau et du matériau du réservoir, il est plus difficile d’accepter comment l’enthalpie du liquide de la steam ajouterait à la chaleur perdue du réservoir due au rayonnement. Par conséquent, l’équation pour calculer la steam utilisée pour les pertes de chaleur (Équation 2.11.2) ne considère que l’enthalpie d’évaporation dans la steam à la pression atmosphérique.

Étape 5 - Déterminez la charge de steam pour chauffer un réservoir d’eau par injection de steam. Le débit de steam moyen total peut être calculé comme suit :

Il est important de se rappeler avec les systèmes d’injection de steam que la masse finale du liquide est égale à la masse de liquide froid, plus la masse de steam ajoutée.

Dans cet exemple, le processus a commencé avec 12 000 kg d’eau. Pendant la période de réchauffage requise de 2 heures, de la steam a été injectée à un taux de 569 kg/h. La masse du liquide a donc augmenté de 2 h x 569 kg/h = 1 138 kg. La masse finale du liquide est : 12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg. Les 1 138 kg supplémentaires de condensat ont un volume d’environ 1 138 litres (1,138 m³) et auront également augmenté le niveau d’eau de :

De toute évidence, le réservoir de processus doit avoir suffisamment d’espace au-dessus du niveau d’eau initial pour permettre cette augmentation. Par sécurité, un trop-plein doit toujours être inclus dans la construction du réservoir lorsque l’injection de steam est impliquée.

Alternativement, si l’exigence du processus avait été de terminer avec une masse de 12 000 kg, la masse d’eau au début du processus serait :

Une alternative plus efficace au tuyau de distribution est l’injecteur de steam comme montré à la Figure 2.11.3. L’injecteur aspire le liquide froid et le mélange avec la steam à l’intérieur de l’injecteur, distribuant le liquide chauffé dans le réservoir.

La conception de l’injecteur est plus sophistiquée que le simple tuyau de distribution, et permet l’utilisation de la steam à des pressions plus élevées. Une zone turbulente est créée à l’intérieur du corps de l’injecteur, ce qui assure un mélange complet de la steam et du liquide, même à des pressions relativement élevées. Cela a pour effet d’agiter et de faire circuler le liquide de sorte qu’une température constante soit maintenue dans tout le réservoir, sans stratification de température ni points froids.

Ces injecteurs sont plus compacts que les tuyaux de distribution, par conséquent toute interférence avec des objets pouvant être plongés dans le réservoir peut être évitée. Ils sont plus robustes et généralement plus silencieux que les tuyaux de distribution, bien que des problèmes de bruit puissent encore être rencontrés s’ils ne sont pas installés correctement.

Bruits relatifs aux injecteurs de steam

Lors de l’utilisation d’injecteurs de steam à haute pression, trois niveaux de bruit distincts sont produits dans les conditions suivantes :

• Fonctionnement normal Lorsque les pressions de steam à l’entrée de l’injecteur sont supérieures à 2 bar g, le bruit produit pendant les conditions normales de fonctionnement peut être décrit comme un grondement doux. Le bruit est causé par la condensation de la steam à l’intérieur du tube de décharge, lorsqu’elle se mélange avec l’eau en recirculation aspirée à travers les trous dans le corps moulé. Dans des conditions normales, la sortie du tube de l’injecteur est environ 10 °C plus chaude que l’eau entrante. Ce type de bruit augmente avec la pression de steam, la température de l’eau et le nombre d’injecteurs, mais il est rarement gênant à des pressions de steam inférieures à 8 bar g. Bien qu’une forte circulation du contenu du réservoir se produise à des pressions supérieures à 8 bar g, peu de vibrations devraient être ressenties.
• Condensation incomplète Cela est caractérisé par un bruit de cognement doux et est parfois accompagné de vibrations intenses. Cela se produit lorsque la température du liquide est trop élevée (généralement au-dessus de 90 °C). Lorsque le liquide est trop chaud, l’injecteur devient moins efficace et une proportion de la steam s’échappe du tube de décharge. À des pressions de steam plus élevées, la condensation de la steam peut provoquer des vibrations, ce qui n’est pas recommandé pour les réservoirs atmosphériques. Cependant, dans les récipients sous pression cylindriques de conception robuste, cela peut ne poser aucun problème.
• Faibles débits Lorsque la pression de steam à l’entrée de l’injecteur tombe en dessous de 1,5 bar g, un crépitement distinct peut être entendu. Dans ces conditions, la steam ne peut pas céder son enthalpie d’évaporation avant de quitter le tube de l’injecteur. À faibles débits, la steam voyage à une vitesse plus faible que dans les autres modes de fonctionnement, et des bulles de steam en effondrement se trouvent sur le corps moulé et dans la tuyauterie de raccordement, induisant de la cavitation. Ce bruit est souvent considéré comme gênant, et peut être trouvé si le système d’injection de steam a été surdimensionné. Le bruit peut également être causé par une mauvaise installation de l’injecteur. Les côtés d’un réservoir rectangulaire peuvent être constitués de panneaux assez flexibles. Connecter un injecteur au milieu d’un panneau flexible peut induire des vibrations et du bruit. Il est souvent préférable de monter l’injecteur plus près du coin du réservoir où la structure est plus rigide.

Exemple 2.11.2

Sur la base des données de l’Exemple 2.11.1, proposez un système d’injection de steam. Taux d’injection de steam requis = 569 kg/h. La pression d’injection de steam = 1,0 bar.

Tableau 2.11.2 Tableau typique de capacité des injecteurs de steam

Le plus grand injecteur (IN40M) a une capacité de 400 kg/h à 1,0 bar, donc cette application nécessitera :

Idéalement, en raison des faibles pressions impliquées, les injecteurs seraient installés aux extrémités opposées du réservoir pour assurer un bon mélange.

Une alternative serait d’utiliser de la steam à pression plus élevée. Cela permettrait l’utilisation d’un seul injecteur plus petit, réduisant les coûts et fournissant toujours un bon mélange.

Méthode alternative de calcul de la charge de steam injectée

La méthode précédente utilisée dans ce module pour calculer le débit de steam moyen nécessite que la charge thermique moyenne soit d’abord calculée. Cela est représenté par l’Équation 2.11.1 :

Si le taux de heat transfer moyen n’est pas connu, une autre méthode peut être utilisée pour déterminer le débit de steam moyen. Cela nécessite l’utilisation d’un bilan thermique comme décrit ci-dessous.

Il convient de noter que les deux méthodes donnent exactement le même résultat, donc le choix dépend de l’utilisateur. Calcul du débit de steam moyen au moyen d’un bilan thermique Un bilan thermique est considéré où le contenu de chaleur initial dans l’eau plus la chaleur ajoutée par la steam est égal au contenu de chaleur final. L’équation du bilan thermique pour l’eau dans le réservoir est montrée dans l’Équation 2.11.3 :

Masse de steam à injecter

La masse de steam à injecter peut être déterminée plus directement à partir de l’Équation 2.11.4, qui est dérivée de l’Équation 2.11.3.

Exemple 2.11.3

Considérons les mêmes conditions que dans l’Exemple 2.11.1.

Réalisation d’un bilan thermique sur l’eau dans le réservoir en utilisant l’Équation 2.11.4 :

Réalisation d’un bilan thermique sur le matériau du réservoir.

Les pertes de chaleur des parois du réservoir et de la surface de l’eau sont les mêmes que celles calculées précédemment, soit 24 kg/h.

C’est le même résultat que celui obtenu précédemment dans ce module à partir des Équations 2.11.1 et 2.11.2, et prouve que l’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour calculer le débit de steam moyen pour chauffer le réservoir et son contenu.