Méthodes d'estimation de la consommation de vapeur

Comment calculer les besoins en vapeur pour les applications de type écoulement et non-écoulement. Y compris le réchauffement, les pertes thermiques et les charges de fonctionnement.

La conception optimale d’un système de vapeur dépendra dans une large mesure de la précision avec laquelle le taux de consommation de vapeur a été établi. Cela permettra de calculer les diamètres de tuyauterie, tandis que les accessoires tels que les clapets de régulation et les steam traps peuvent être dimensionnés pour donner les meilleurs résultats possibles. La demande de vapeur de l’installation peut être déterminée à l’aide de plusieurs méthodes différentes : Calcul

En analysant la sortie thermique d’un équipement à l’aide d’équations de transfert de chaleur, il peut être possible d’obtenir une estimation de la consommation de vapeur. Bien que le transfert de chaleur ne soit pas une science exacte et qu’il puisse y avoir de nombreuses variables inconnues, il est possible d’utiliser des données expérimentales antérieures provenant d’applications similaires. Les résultats obtenus avec cette méthode sont généralement suffisamment précis pour la plupart des usages. Mesure

La consommation de vapeur peut être déterminée par mesure directe, à l’aide d’équipements de comptage de débit. Cela fournira des données relativement précises sur la consommation de vapeur d’une installation existante. Cependant, pour une installation encore en phase de conception, ou non opérationnelle, cette méthode est de peu d’utilité. Thermal rating

Le thermal rating (ou rating de conception) est souvent affiché sur la plaque signalétique d’un équipement individuel, tel que fourni par les fabricants. Ces ratings expriment généralement la sortie thermique attendue en kW, mais la consommation de vapeur requise en kg/h dépendra de la pression de vapeur recommandée. Toute modification d’un paramètre susceptible de modifier la sortie thermique attendue signifie que le thermal rating (de conception) et la charge raccordée (consommation de vapeur réelle) ne seront pas identiques. Le rating du fabricant est une indication de la capacité idéale d’un équipement et ne correspond pas nécessairement à la charge raccordée.

Dans la plupart des cas, la chaleur contenue dans la vapeur est nécessaire pour accomplir deux choses :

1. Produire un changement de température dans le produit, c’est-à-dire fournir une composante de « réchauffement »
2. Maintenir la température du produit alors que la chaleur est perdue par des causes naturelles ou par conception, c’est-à-dire fournir une composante de « perte thermique ». Dans tout processus de chauffage, la composante de « réchauffement » diminuera à mesure que la température du produit augmente, et que la température différentielle entre le serpentin de chauffage et le produit diminue. Cependant, la composante de perte thermique augmentera à mesure que la température du produit augmente et que plus de chaleur est perdue vers l’environnement à partir du récipient ou de la tuyauterie. La demande thermique totale à tout moment est la somme de ces deux composantes. L’équation utilisée pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une substance (équation 2.1.4, du module 2), peut être développée pour s’appliquer à une gamme de processus de transfert de chaleur.

Dans sa forme originale, cette équation peut être utilisée pour déterminer une quantité totale d’énergie thermique sur l’ensemble du processus. Cependant, dans sa forme actuelle, elle ne prend pas en compte le taux de transfert de chaleur. Pour établir les taux de transfert de chaleur, les différents types d’application d’échange thermique peuvent être divisés en deux grandes catégories : Applications de type non-écoulement

où le produit chauffé est une masse fixe et un lot unique dans les limites d’un récipient. Applications de type écoulement

où un fluide chauffé s’écoule en permanence sur la surface de transfert de chaleur.

Dans les applications de type non-écoulement, le fluide de procédé est maintenu en un lot unique dans les limites d’un récipient. Un serpentin de vapeur situé dans le récipient, ou une chemise de vapeur autour du récipient, peut constituer la surface de chauffage. Les exemples typiques incluent les accumulateurs de chaleur à eau chaude comme montré dans la figure 2.6.1 et les réservoirs de stockage d’huile où un grand réservoir circulaire en acier est rempli d’huile visqueuse nécessitant un chauffage avant d’être pompée. Certains processus concernent le chauffage de solides ; les exemples typiques sont les presses à pneus, les repasseuses de blanchisserie, les vulcaniseurs et les autoclaves.

Dans certaines applications de type non-écoulement, le temps de réchauffement du processus est sans importance et ignoré. Cependant, dans d’autres, comme les réservoirs et les vulcaniseurs, il peut être non seulement important mais crucial pour l’ensemble du processus.

Considérons deux processus de chauffage non-écoulement nécessitant la même quantité d’énergie thermique mais des durées de chauffage différentes. Les taux de transfert de chaleur différeraient tandis que les quantités totales de chaleur transférée seraient identiques.

Le taux moyen de transfert de chaleur pour de telles applications peut être obtenu en modifiant l’équation 2.1.4 en équation 2.6.1 :

Exemple 2.6.1

Calcul du taux moyen de transfert de chaleur dans une application de type non-écoulement. Une quantité d’huile est chauffée d’une température de 35 °C à 120 °C sur une période de 10 minutes (600 secondes). Le volume de l’huile est de 35 litres, sa densité relative est de 0,9 et sa capacité thermique spécifique est de 1,9 kJ/kg °C sur cette plage de température. Déterminer le taux de transfert de chaleur requis : Comme la densité de l’eau à la température et pression standard (STP) est de 1 000 kg/m³

L’équation 2.6.1 peut être appliquée que la substance chauffée soit un solide, un liquide ou un gaz.

Cependant, elle ne prend pas en compte le transfert de chaleur impliqué lorsqu’il y a un changement de phase. La quantité de chaleur fournie par la condensation de la vapeur peut être déterminée par l’équation 2.6.2 :

Il s’ensuit donc que la consommation de vapeur peut être déterminée à partir du taux de transfert de chaleur et vice versa, à partir de l’équation 2.6.3.

Si l’on suppose à ce stade que le transfert de chaleur est efficace à 100 %, alors la chaleur fournie par la vapeur doit être égale au besoin en chaleur du fluide à chauffer. Cela peut alors être utilisé pour construire un bilan thermique, dans lequel l’énergie thermique fournie et requise sont égalisées :

Exemple 2.6.2

Un réservoir contenant 400 kg de kérosène doit être chauffé de 10 °C à 40 °C en 20 minutes (1 200 secondes), en utilisant de la vapeur à 4 bar g. Le kérosène a une capacité thermique spécifique de 2,0 kJ/kg °C sur cette plage de température. hfg à 4,0 bar g est de 2 108,1 kJ/kg. Le réservoir est bien isolé et les pertes thermiques sont négligeables.

Dans certaines applications de type non-écoulement, la durée du processus par lot peut ne pas être critique, et un temps de réchauffement plus long peut être acceptable. Cela réduira la consommation instantanée de vapeur et la taille de l’équipement requis.

Les exemples typiques incluent les échangeurs de chaleur à calandre et tubes, voir figure 2.6.2 (également appelés accumulateurs de chaleur sans stockage) et les échangeurs de chaleur à plaques, fournissant de l’eau chaude aux systèmes de chauffage ou aux processus industriels. Un autre exemple serait une batterie d’aérotherme où la vapeur cède sa chaleur à l’air qui passe en permanence.

La figure 2.6.3 fournit un profil de température typique dans un échangeur de chaleur avec un débit de fluide secondaire constant. La température de condensation (TS) reste constante dans tout l’échangeur de chaleur.

Le fluide est chauffé de T1 à la vanne d’entrée à TS à la sortie de l’échangeur de chaleur.

Pour un débit secondaire fixe, la charge thermique requise (Q̇) est proportionnelle à l’élévation de température du produit (ΔT). En utilisant l’équation 2.6.1 :

Consommation moyenne de vapeur

La consommation moyenne de vapeur d’une application de type écoulement comme un échangeur de chaleur de procédé ou un accumulateur de chaleur peut être déterminée à partir de l’équation 2.6.6, comme montré dans l’équation 2.6.7.

Mais comme le transfert de chaleur moyen est lui-même calculé à partir du débit massique, de la chaleur spécifique et de l’élévation de température, il est plus facile d’utiliser l’équation 2.6.7.

Exemple 2.6.3

De la vapeur sèche saturée à 3 bar g est utilisée pour chauffer de l’eau s’écoulant à un débit constant de 1,5 l/s de 10°C à 60°C. hfg à 3 bar g est de 2 133,4 kJ/kg, et la chaleur spécifique de l’eau est de 4,19 kJ/kg °C Déterminer le débit de vapeur à partir de l’équation 2.6.7 : Comme 1 litre d’eau a une masse de 1 kg, le débit massique = 1,5 kg/s

Au démarrage, la température d’entrée, T1, peut être inférieure à la température d’entrée attendue en pleine charge de fonctionnement, entraînant une demande thermique plus élevée. Si le temps de réchauffement est important pour le processus, l’échangeur de chaleur doit être dimensionné pour fournir cette demande thermique accrue. Cependant, les charges de réchauffement sont généralement ignorées dans les calculs de conception de type écoulement, car les démarrages sont généralement peu fréquents, et le temps nécessaire pour atteindre les conditions de conception n’est pas très important. La surface de chauffage de l’échangeur de chaleur est donc généralement dimensionnée sur les conditions de charge de fonctionnement.

Dans les applications de type écoulement, les pertes thermiques du système tendent à être considérablement inférieures au besoin de chauffage et sont généralement ignorées. Cependant, si les pertes thermiques sont importantes, la perte thermique moyenne (principalement à partir de la tuyauterie de distribution) doit être incluse lors du calcul de la surface de chauffage.

Composantes de réchauffement et de perte thermique

Dans tout processus de chauffage, la composante de réchauffement diminuera à mesure que la température du produit augmente, et la température différentielle à travers le serpentin de chauffage diminue. Cependant, la composante de perte thermique augmentera à mesure que les températures du produit et du récipient augmentent, et que plus de chaleur est perdue vers l’environnement à partir du récipient ou de la tuyauterie. La demande thermique totale à tout moment est la somme de ces deux composantes. Si la surface de chauffage est dimensionnée uniquement en tenant compte de la composante de réchauffement, il est possible qu’il n’y ait pas assez de chaleur disponible pour que le processus atteigne sa température attendue. L’élément de chauffage, lorsqu’il est dimensionné sur la somme des valeurs moyennes de ces deux composantes, devrait normalement être en mesure de satisfaire la demande thermique globale de l’application. Parfois, avec de très grands réservoirs de stockage d’huile par exemple, il peut être judicieux de maintenir la température de maintien inférieure à la température de pompage requise, car cela réduira les pertes thermiques à partir de la surface du réservoir. Une autre méthode de chauffage peut être employée, comme un chauffeur en sortie, comme montré dans la figure 2.6.4.

Les éléments de chauffage sont enfermés dans un capot métallique faisant saillie dans le réservoir et conçu de sorte que seule l’huile à proximité immédiate est aspirée et chauffée à la température de pompage. La chaleur n’est donc demandée que lorsque l’huile est prélevée, et comme la température du réservoir est abaissée, l’isolation peut souvent être supprimée. La taille du chauffeur en sortie dépendra de la température de l’huile en vrac, de la température de pompage et du débit de pompage.

L’ajout de matériaux dans des bacs de procédé ouverts peut également être considéré comme une composante de perte thermique qui augmentera la demande thermique. Ces matériaux agiront comme un puits thermique lorsqu’ils seront immergés et doivent être pris en compte lors du dimensionnement de la surface de chauffage. Quelle que soit l’application, lorsque la surface de transfert de chaleur doit être calculée, il est d’abord nécessaire d’évaluer le taux moyen de transfert de chaleur total. À partir de là, la demande thermique et la charge de vapeur peuvent être déterminées pour la pleine charge et le démarrage. Cela permettra de dimensionner le clapet de régulation sur l’une ou l’autre de ces deux conditions, selon le choix.