Chauffage par serpentin et chemise de vapeur

Ce tutoriel couvre le chauffage indirect des fluides, y compris les dispositions, le contrôle et le drainage des serpentins et des chemises de vapeur, ainsi que les calculs de transfert de chaleur.

Les récipients peuvent être chauffés de différentes manières. Ce module traitera du chauffage indirect. Dans ces systèmes, la chaleur est transférée à travers une surface d’échange thermique. Les options comprennent :

L’utilisation de serpentins de réservoir est particulièrement courante dans les applications maritimes où des cargaisons de pétrole brut, d’huiles alimentaires, de suif et de mélasse sont chauffées dans des citernes profondes. Beaucoup de ces liquides sont difficiles à manipuler à température ambiante en raison de leur viscosité. Les serpentins chauffés par vapeur sont utilisés pour élever la température de ces liquides, abaissant leur viscosité pour faciliter leur pompage.

Les serpentins de réservoir sont également largement utilisés dans le placage électrolytique et le traitement des métaux. Le placage électrolytique consiste à faire passer les pièces à travers plusieurs bains de traitement afin de déposer des revêtements métalliques sur leurs surfaces. L’une des premières étapes de ce processus est connue sous le nom de décapage, où des matériaux tels que l’acier et le cuivre sont traités en les plongeant dans des bains de solution acide ou caustique pour éliminer les calcaires ou oxydes (par exemple la rouille) qui se seraient formés.

Dimensionnement du serpentin de vapeur

Une fois l’énergie requise déterminée (module précédent), et avec la connaissance de la pression/température de la vapeur dans le serpentin, la surface de transfert de chaleur peut être déterminée à l’aide de l’équation 2.5.3 :

La surface de transfert de chaleur calculée correspond à la surface du serpentin et permettra de spécifier une taille et une disposition appropriées. Détermination de la valeur « U » Pour calculer la surface de transfert de chaleur, une valeur pour le coefficient de transfert de chaleur global, U, doit être choisie. Celle-ci variera considérablement en fonction des propriétés thermiques et de transport des deux fluides ainsi que d’un ensemble d’autres conditions. Du côté produit du serpentin, une couche limite thermique existera dans laquelle il y a un gradient de température entre la surface et le fluide principal. Si cette différence de température est relativement importante, les courants de convection naturelle seront significatifs et le coefficient de transfert de chaleur sera élevé. La circulation assistée (comme l’agitation) qui induit une convection forcée entraînera également des coefficients plus élevés. La convection étant partiellement dépendante du mouvement global du fluide, la viscosité (qui varie avec la température) a également une influence importante sur la couche limite thermique.

Des variations supplémentaires peuvent également se produire côté vapeur du serpentin, en particulier avec de longues longueurs de tuyauterie. L’entrée du serpentin peut avoir une vitesse de vapeur élevée et être relativement exempte d’eau.

Cependant, plus loin le long du serpentin, la vitesse de vapeur peut être plus faible, et le serpentin peut fonctionner partiellement rempli d’eau. Dans les serpentins très longs, comme ceux que l’on trouve parfois dans les pétroliers océaniques ou les grands réservoirs de stockage, une chute de pression significative se produit le long du serpentin. Pour obtenir la température moyenne du serpentin, une pression de vapeur moyenne d’environ 75 % de la pression d’entrée peut être utilisée. Dans les cas extrêmes, la pression moyenne utilisée peut être aussi basse que 40 % de la pression d’entrée. Une autre variable est le matériau du serpentin lui-même. La conductivité thermique du matériau du serpentin peut varier considérablement. Cependant, le transfert de chaleur global est dans une large mesure gouverné par les films résistants à la chaleur, et la conductivité thermique du matériau du serpentin n’est pas aussi significative que leur effet combiné. Le tableau 2.10.1 fournit les coefficients de transfert de chaleur globaux typiques pour diverses conditions d’application de serpentin de vapeur immergé. Les valeurs « U » pour des pressions de vapeur entre 2 bar g et 6 bar g doivent être déterminées par interpolation des données du tableau.

Tableau 2.10.1 Taux d’émission thermique des serpentins de vapeur immergés dans l’eau

La gamme de chiffres présentée dans le tableau 2.10.1 illustre la difficulté à fournir des valeurs « U » définitives. Les valeurs habituelles en haut de l’échelle s’appliqueront aux installations alimentées en vapeur propre et sèche, avec de petits serpentins et un bon drainage du condensat. L’extrémité basse est plus applicable à une vapeur de mauvaise qualité, de longs serpentins et un mauvais drainage du condensat.

Les coefficients de transfert de chaleur globaux recommandés s’appliqueront aux conditions et installations typiques. Ces taux recommandés sont dérivés empiriquement et assureront généralement une marge de sécurité généreuse pour le dimensionnement du serpentin. Dans le cas de fluides autres que l’eau, le coefficient de transfert de chaleur variera encore plus largement en raison de la façon dont la viscosité varie avec la température. Cependant, les valeurs montrées dans le tableau 2.10.2 serviront de guide pour certaines substances couramment rencontrées, tandis que le tableau 2.10.3 donne les surfaces typiques des tuyaux par mètre de longueur.

Tableau 2.10.2 Taux d’émission thermique des serpentins de vapeur immergés dans divers liquides

• Certains matériaux comme le suif et la margarine sont solides à température normale mais ont une viscosité assez faible à l’état fondu.

** La mélasse commerciale contient souvent de l’eau et la viscosité est bien plus faible.

Tableau 2.10.3 Surfaces nominales des tuyaux en acier par mètre de longueur

Exemple 2.​10.1

En reprenant l’exemple 2.9.1, déterminer :

• Partie 1. Le débit massique moyen de vapeur pendant la phase de démarrage. (Charge thermique moyenne = 367 kW)
• Partie 2. La surface de transfert de chaleur requise.
• Partie 3. Une surface de serpentin recommandée.
• Partie 4. Le débit massique maximal de vapeur avec la surface de transfert de chaleur recommandée.
• Partie 5. Une recommandation d’installation, y compris le diamètre et la disposition du serpentin. Les informations supplémentaires suivantes ont été fournies :
• Pression de vapeur sur le clapet de régulation = 2,6 bar g (3,6 bar a).
• Un serpentin de vapeur en acier inoxydable fournit la chaleur.
• Coefficient de transfert de chaleur vapeur/serpentin/liquide, U = 650 W/m² °C Partie 1 Calcul du débit massique moyen de vapeur pendant la phase de démarrage Pression de vapeur sur le clapet de régulation = 2,6 bar g (3,6 bar a) La chute de pression critique (CPD) se produira à travers le clapet de régulation pendant la phase de démarrage, par conséquent la pression minimale de vapeur dans le serpentin de chauffage doit être prise comme 58 % de la pression absolale amont. Une explication est donnée dans le Bloc 5.

Partie 2 Calcul de la surface de transfert de chaleur requise

Partie 3 Recommandation pour la surface du serpentin En raison des difficultés à fournir des valeurs « U » précises, et pour tenir compte d’un encrassement futur de la surface d’échange thermique, il est habituel d’ajouter 10 % à la surface de transfert de chaleur calculée.

Partie 4 Le débit massique maximal de vapeur avec la surface de transfert de chaleur recommandée Le transfert de chaleur maximum (et donc la demande de vapeur) se produira lorsque la différence de température entre la vapeur et le fluide de procédé sera maximale, et doit prendre en considération la surface de tuyau supplémentaire prévue pour l’encrassement. (a) Considérer la capacité de chauffage maximale du serpentin Q̇(serpentin)

(b) Débit de vapeur pour fournir 519 kW

Partie 5 Recommandation d’installation, y compris le diamètre et la disposition du serpentin (a) Déterminer le diamètre et la longueur du serpentin

Il peut être difficile d’accueillir cette longueur de tuyau de chauffage de gros diamètre dans un réservoir de 3 m x 3 m.

Une solution consisterait à disposer une batterie de tuyaux parallèles entre des collecteurs de vapeur et de condensat, placés à différentes hauteurs pour encourager le condensat à s’écouler

vers le collecteur inférieur (condensat). La ligne de drainage doit descendre depuis le bas du collecteur de condensat jusqu’au steam trap (ou pompe-trap). Voir la figure 2.10.1 pour une disposition suggérée.

Notez que l’alimentation en vapeur est située à une extrémité de son collecteur, tandis que le groupe de purge est à l’autre extrémité. Cela aidera la vapeur à circuler et à pousser le condensat à travers les serpentins.

Dans cette application, les collecteurs de vapeur et de condensat mesureraient chacun 2,8 m de long. Comme le collecteur de condensat contient du condensat, la chaleur qu’il dégage sera faible par rapport au collecteur de vapeur et peut être négligée dans le calcul. Le collecteur de vapeur doit avoir un diamètre de 100 mm comme déterminé par le calcul de vitesse précédent. Cela fournira une surface de chauffage de : 2,8 m x 0,358 m²/m = 1,0 m² En conséquence, 7 m² - 1 m² = 6 m² de surface de transfert de chaleur sont encore nécessaires et doivent être fournis par les tuyaux de raccordement. En sélectionnant arbitrairement un tuyau de 32 mm comme bon compromis entre robustesse et maniabilité :

Vérification Il est nécessaire de confirmer la vitesse de vapeur à travers les tubes de raccordement : Sur la base de la proportionnalité de la surface de transfert de chaleur, le collecteur de vapeur condensera :

Autres dispositions de serpentins de vapeur

La conception et la disposition du serpentin de vapeur dépendront du fluide de procédé à chauffer. Lorsque le fluide de procédé à chauffer est une solution corrosive, il est normalement recommandé que les raccordements d’entrée et de sortie du serpentin soient placés par-dessus la lèvre du réservoir, car il n’est généralement pas conseillé de percer à travers les revêtements résistants à la corrosion de la paroi du réservoir. Cela garantira qu’il n’y a aucun point faible dans le revêtement du réservoir, où il y a un risque de fuite de liquides corrosifs. Dans ces cas, le serpentin lui-même peut également être fabriqué en matériau résistant à la corrosion tel que l’acier recouvert de plomb ou le cuivre, ou des alliages comme le titane. Cependant, là où il n’y a aucun danger de corrosion, les surélévations au-dessus de la structure du réservoir doivent être évitées, et les raccordements d’entrée et de sortie de vapeur peuvent être placés à travers la paroi du réservoir. La présence de toute surélévation entraînera la formation d’un bouchon d’eau sur une partie de la longueur du serpentin, et éventuellement un coup de bélier hydraulique, du bruit et des fuites de tuyauterie. Les serpentins de chauffage par vapeur doivent généralement avoir une pente progressive de l’entrée vers la sortie pour s’assurer que le condensat s’écoule vers la sortie et ne s’accumule pas dans le fond du serpentin. Lorsqu’une surélévation est inévitable, elle doit être conçue pour inclure un dispositif d’étanchéité au bas de la surélévation et un petit tube plongeur, comme montré dans la figure 2.10.2.

Le dispositif d’étanchéité permet à une petite quantité de condensat de s’accumuler pour agir comme joint hydraulique, et empêche le verrouillage par la vapeur. Sans ce joint, la vapeur peut passer par-dessus le condensat accumulé dans le fond du tuyau, et fermer le steam trap au haut de la colonne montante.

Le niveau de condensat monterait alors et formerait un joint hydraulique temporaire, emprisonnant la vapeur entre le bas de la colonne montante et le steam trap. Le steam trap reste fermé jusqu’à ce que la vapeur emprisonnée se condense, période pendant laquelle le serpentin continue de se remplir d’eau. Lorsque la vapeur emprisonnée se condense et que le steam trap s’ouvre, un bouchon d’eau est évacué vers le haut de la colonne montante. Dès que le joint hydraulique est rompu, la vapeur entrera dans la colonne montante et fermera le purgeur, tandis que la colonne d’eau rompue retombe au fond du serpentin de chauffage. Le petit tube plongeur ne permettra qu’un très petit volume de vapeur d’être emprisonné dans la colonne montante. Il permet à la colonne d’eau d’être facilement maintenue sans que de la vapeur ne la traverse en formant des bulles, assurant un écoulement de condensat régulier et continu vers la sortie. Lorsque le joint est finalement rompu, un plus petit volume d’eau retournera au serpentin de chauffage qu’avec une colonne montante de gros diamètre sans restriction, mais comme le dispositif de joint hydraulique nécessite un plus petit volume de condensat pour former un joint hydraulique, il se reformera immédiatement. Si le procédé implique la plongée d’articles dans le liquide, il peut ne pas être pratique d’installer le serpentin au fond du réservoir - il pourrait être endommagé par les objets immergés dans la solution.

De plus, lors de certains processus, des dépôts lourds se déposeront au fond du réservoir et peuvent rapidement recouvrir la surface de chauffage, inhibant le transfert de chaleur. Pour ces raisons, des serpentins suspendus latéralement sont souvent utilisés dans l’industrie du placage électrolytique. Dans de tels cas, des serpentins en serpentin ou de type plaque sont disposés le long du côté d’un réservoir, comme montré dans la figure 2.10.3. Ces serpentins doivent également avoir une pente vers le bas avec un joint hydraulique et un petit tube plongeur. Cette disposition a l’avantage d’être souvent plus facile à installer et aussi plus facile à retirer pour un nettoyage périodique si nécessaire.

Si des articles doivent être plongés dans le réservoir, il peut ne pas être possible d’utiliser un quelconque agitateur pour induire une convection forcée et empêcher la formation de gradients de température dans l’ensemble du réservoir. Que des serpentins de fond ou latéraux soient utilisés, il est essentiel qu’ils soient disposés avec une couverture adéquate de sorte que la chaleur soit répartie uniformément dans l’ensemble du liquide.

Le diamètre du serpentin doit fournir une longueur suffisante pour une bonne distribution. Une courte longueur de serpentin avec un grand diamètre peut ne pas fournir une distribution de température adéquate. Cependant, une très longue longueur continue de serpentin peut subir un gradient de température dû à la chute de pression d’une extrémité à l’autre, entraînant un chauffage inégal du liquide. Bien que les deux titres suivants, « Dimensionnement du clapet de régulation » et « Le dispositif d’élimination du condensat » soient inclus dans ce module, le nouveau lecteur devrait se référer aux Blocs et Modules ultérieurs du Centre d’apprentissage pour des informations complètes et exhaustives, avant de tenter le dimensionnement et la sélection des équipements.

Disposition du clapet de régulation

L’ensemble de clapets de régulation peut être constitué d’un ou deux clapets en parallèle. Un clapet de régulation unique, suffisamment grand pour gérer le débit maximal rencontré au démarrage, peut être incapable de contrôler le débit avec précision au débit minimal prévu. Cela pourrait entraîner un contrôle de température irrégulier.

Une alternative est de monter deux clapets de régulation de température en parallèle :

• Un clapet (clapet de fonctionnement) dimensionné pour contrôler au débit le plus faible.
• Un second clapet (clapet de démarrage) pour laisser passer la différence entre la capacité du premier clapet et le débit maximal. Le clapet de démarrage aurait un point de consigne légèrement inférieur à celui du clapet de fonctionnement, de sorte qu’il se fermerait en premier, laissant le clapet de fonctionnement contrôler à faible charge.

Dimensionnement du clapet de régulation

L’ensemble de clapets de régulation (un clapet ou deux clapets en parallèle). Le serpentin a été dimensionné sur des valeurs moyennes de transfert de chaleur. Cependant, il peut être préférable de dimensionner le clapet de régulation pour fournir la charge maximale (démarrage). Avec de grands serpentins dans des réservoirs, cela aidera à maintenir un certain niveau de pression de vapeur sur toute la longueur du serpentin lorsque la vapeur est mise en marche, aidant à pousser le condensat à travers le serpentin vers le dispositif de purge. Si le clapet de régulation était dimensionné sur des valeurs moyennes, la pression de vapeur dans le serpentin au démarrage tendrait à être plus faible et le serpentin pourrait se remplir d’eau.

Utilisation d’un seul clapet

En reprenant l’exemple 2.10.1, la charge maximale de vapeur est de 850 kg/h et le serpentin est conçu pour fournir cette charge à une pression de 1,1 bar g. Un tableau de dimensionnement de clapets de vapeur montrerait qu’un Kv d’environ 20 est nécessaire pour laisser passer 850 kg/h de vapeur avec une pression de 2,6 bar g à l’entrée du clapet de régulation, et une chute de pression critique (CPD) à travers le clapet. (Le module 6.4 montrera comment la taille du clapet peut être déterminée par calcul). Un clapet de régulation DN40 avec un Kvs plus grand de 25 devrait donc être sélectionné pour cette application. Si un seul clapet doit être utilisé, ce clapet doit s’assurer que la charge thermique maximale est couverte, tout en maintenant la pression de vapeur requise dans le serpentin pour faciliter le drainage du condensat au démarrage. Cependant, pour les raisons expliquées précédemment, deux clapets pourraient être préférables. La charge de fonctionnement est de 52 kW et avec le serpentin fonctionnant à 1,1 bar g, la charge de vapeur de fonctionnement :

Le tableau de dimensionnement des clapets de vapeur montre qu’un Kv de 2 est nécessaire pour laisser passer 85 kg/h avec 3,6 bar en amont, fonctionnant en chute de pression critique.

Un clapet DN15 de type KE (Kvs = 4) et un clapet à piston DN25 (Kvs = 18,6) fonctionnant ensemble couvriront la charge de démarrage. En approchant de la température de contrôle, le clapet le plus grand serait réglé pour se fermer, laissant le plus petit assurer un bon contrôle.

Le dispositif d’élimination du condensat

La sélection et le dimensionnement du dispositif d’élimination du condensat seront fortement influencés par la contre-pression du condensat. Dans le cadre de cet exemple, on suppose que la contre-pression est la pression atmosphérique. Le dispositif doit être dimensionné pour satisfaire aux deux conditions suivantes

:

1. Laisser passer 850 kg/h de condensat avec 1,1 bar g dans le serpentin, c’est-à-dire la condition de pleine charge.
2. Laisser passer la charge de condensat lorsque la pression de vapeur dans le serpentin est égale à la contre-pression du condensat, c’est-à-dire la condition de charge de blocage. Si le steam trap est dimensionné uniquement sur la première condition, il est possible qu’il ne puisse pas laisser passer la charge de blocage (la condition où le produit approche de sa température requise et que le clapet de régulation module pour réduire la pression de vapeur). La charge de blocage peut être considérable. Pour les applications de type non-écoulement comme les réservoirs, cela peut ne pas être très grave du point de vue thermique car le contenu du réservoir sera presque à la température requise et disposera d’un immense réservoir de chaleur. Toute réduction du transfert de chaleur à cette phase du processus de chauffage peut donc avoir peu d’effet immédiat sur le contenu du réservoir. Cependant, le condensat s’accumulera dans le serpentin et des coups de bélier hydraulique se produiront, avec leurs symptômes associés et les contraintes mécaniques. Les serpentins de réservoir dans les grands réservoirs circulaires ont tendance à être de construction robuste et sont souvent capables de supporter de telles contraintes. Des problèmes peuvent cependant survenir dans les réservoirs rectangulaires (qui ont tendance à être plus petits), où les vibrations du serpentin auront plus d’effet sur la structure du réservoir. Ici, l’énergie dissipée par les coups de bélier hydraulique provoque des vibrations, qui peuvent être préjudiciables à la durée de vie du serpentin, du réservoir et du steam trap, tout en créant un bruit désagréable. Pour les applications de type écoulement comme les échangeurs de chaleur à plaques, le fait de ne pas considérer la condition de blocage aura généralement des conséquences graves. Cela est principalement dû au petit volume dans l’échangeur de chaleur. Pour les échangeurs de chaleur, toute réduction indésirable de la surface de chauffage, comme celle causée par le refoulement du condensat dans l’espace vapeur, peut affecter l’écoulement de la chaleur à travers la surface de chauffage. Cela peut rendre le système de contrôle irrégulier et instable, et les processus nécessitant un contrôle stable ou précis peuvent souffrir de performances médiocres. Si les échangeurs de chaleur sont surdimensionnés, une surface de chauffage suffisante peut rester lorsque le condensat s’accumule dans l’espace vapeur, et la réduction des performances thermiques peut ne pas toujours se produire. Cependant, avec des échangeurs de chaleur non conçus pour faire face aux effets de la stagnation d’eau, cela peut entraîner la corrosion de la surface de chauffage, réduisant inévitablement la durée de vie de l’échangeur. La stagnation d’eau peut, dans certaines applications, être coûteuse. Considérons un serpentin de protection contre le gel d’un aérotherme avec stagnation d’eau. De l’air froid à 4 °C circulant à 3 m/s peut rapidement geler le condensat emprisonné dans les serpentins, entraînant une défaillance prématurée et injustifiée. Un drainage approprié du condensat est essentiel pour maintenir la durée de vie de tout échangeur de chaleur et aérotherme. Les steam traps sont des dispositifs qui modulent pour permettre à des quantités variables de condensat de s’écouler des applications dans des conditions variables. Les purgeurs à flotteur sont des steam traps conçus pour moduler et libérer le condensat à une température proche de celle de la vapeur, offrant des performances maximales de l’installation, une durée de vie maximale et un retour maximal sur l’investissement. Lorsque des conditions de blocage se produisent et qu’un steam trap ne peut pas être utilisé, une pompe-trap automatique ou une combinaison pompe et trappe assureront un drainage correct du condensat en toutes circonstances, maximisant ainsi la capacité thermique et les coûts de durée de vie de l’installation.

Le type de chemise de vapeur le plus couramment utilisé se compose simplement d’un cylindre extérieur entourant le récipient, comme montré dans la figure 2.10.4. La vapeur circule dans la chemise extérieure et se condense sur la paroi du récipient. Les récipients à chemise peuvent également être calorifugés ou peuvent contenir un espace d’air intérieur entourant la chemise. Cela pour s’assurer que le moins de vapeur possible se condense sur la paroi extérieure de la chemise, et que la chaleur est transférée vers l’intérieur du récipient.

La surface de transfert de chaleur (la surface de la paroi du récipient) peut être calculée de la même manière qu’avec un serpentin de vapeur, en utilisant l’équation 2.5.3 et les coefficients de transfert de chaleur globaux fournis dans le tableau 2.10.4.

Bien que les chemises de vapeur soient généralement moins efficaces thermiquement que les serpentins immergés, en raison des pertes par rayonnement vers l’environnement, elles permettent de l’espace pour agiter les récipients afin de favoriser le transfert de chaleur. Les valeurs U listées dans le tableau 2.10.4 sont pour une agitation modérée sans proximité. Les parois des récipients sont généralement en acier inoxydable ou en acier au carbone émaillé. L’émail offrira une couche supplémentaire résistante à la corrosion. La taille de l’espace de la chemise de vapeur dépendra de la taille du récipient, mais typiquement la largeur peut être comprise entre 50 mm et 300 mm.

Tableau 2.10.4 Coefficients de transfert de chaleur globaux pour les chemises de vapeur