Consommation de vapeur des tuyaux et aérothermes

La vapeur se condense et cède son enthalpie d’évaporation sur les parois de tout tuyau à une température inférieure. Il n’est généralement pas possible ni nécessaire de calculer exactement la consommation de vapeur. Ce tutoriel permet de réaliser des estimations satisfaisantes pour la plupart des usages pratiques.

La vapeur se condense et cède son enthalpie d’évaporation sur les parois de tout tuyau exposé à l’air ambiant. Dans certains cas, comme les conduites principales de vapeur, le transfert de chaleur est minimisé par le calorifugeage des tuyaux. Dans d’autres cas comme les batteries d’aérothermes, le transfert de chaleur peut être favorisé par l’utilisation d’ailettes sur l’extérieur des tuyaux. Il n’est généralement pas possible ni nécessaire de calculer exactement la consommation de vapeur. Les exemples de ce module permettent de réaliser des estimations suffisantes pour la plupart des usages pratiques.

Conduites principales de vapeur

Dans tout système de vapeur, la condensation de la vapeur causée par le tuyau lui-même doit être prise en compte. Le taux de condensation sera maximal pendant la phase de réchauffement, et c’est ce qui doit déterminer la taille des steam traps utilisés pour le drainage des conduites principales. Avec la conduite principale en service, il y aura également une perte thermique plus faible (mais continue) à partir du tuyau. Ces deux composantes peuvent être calculées comme la « charge de réchauffement » et la « charge de fonctionnement ».

Charge de réchauffement

De la chaleur sera initialement nécessaire pour amener le tuyau froid à la température de fonctionnement. Il est recommandé de le faire lentement pour des raisons de sécurité ; les tuyaux bénéficient également d’une réduction des contraintes thermiques et mécaniques. Cela entraînera moins de fuites, des coûts de maintenance réduits et une durée de vie plus longue pour le tuyau. Un réchauffement lent peut être obtenu en installant une petite vanne en parallèle avec la vanne d’isolement principale (figure 2.12.1). La vanne peut être dimensionnée en fonction du temps de réchauffement requis. L’automatisation de la vanne de réchauffement pour une ouverture lente sur les grandes tuyauteries peut améliorer la sécurité. Une seule vanne d’isolement principale peut être utilisée avec succès, mais, comme elle sera dimensionnée pour répondre aux exigences de débit de conception de la tuyauterie, elle sera surdimensionnée pendant la période de réchauffement et fonctionnera par conséquent très près de son siège à ce moment. Un séparateur placé avant la vanne garantira que la vapeur qui passe est sèche, protégeant le clapet de l’usure prématurée. Le temps nécessaire pour réchauffer toute conduite principale de vapeur doit être aussi long que possible dans des limites acceptables pour minimiser les contraintes mécaniques de la tuyauterie, optimiser la sécurité et réduire les charges de démarrage.

Si 10 minutes peuvent être prises au lieu de 5 minutes, le débit de vapeur initial sera réduit de moitié. Un temps de réchauffement de 20 minutes réduira encore davantage la charge de réchauffement.

Le débit de vapeur nécessaire pour amener un système de tuyauterie à la température de fonctionnement est fonction de la masse et de la chaleur spécifique du matériau, de l’augmentation de température, de l’enthalpie d’évaporation de la vapeur utilisée et du temps autorisé. Cela peut être exprimé par l’équation 2.12.1 :

Exemple 2.12.1 Pertes thermiques d’une conduite principale de vapeur

Un système comprend 100 m de conduite principale en acier au carbone de 100 mm, qui comprend 9 paires de brides PN40 et une vanne d’isolement. cp pour l’acier = 0,49 kJ/kg °C La température ambiante/de départ est de 20°C et la pression de vapeur est de 14,0 bar g, 198°C d’après les tables de vapeur (voir tableau 2.12.2).

Tableau 2.12.2 Extrait des tables de vapeur

Déterminer :

Partie 1. Le taux de condensation de réchauffement pour un temps de réchauffement de 30 minutes.

Partie 2. La charge de fonctionnement si l’épaisseur d’isolant est de 75 mm. Partie 1 Calculer la charge de réchauffement

Note : Ce taux de condensation sera utilisé pour sélectionner une vanne de régulation de réchauffement appropriée.

Lors de la sélection des steam traps, ce taux de condensation doit être multiplié par un facteur de deux pour tenir compte de la pression de vapeur plus faible qui prévaudra jusqu’à la fin du réchauffement, puis divisé par le nombre de purgeurs installés pour donner la capacité requise de chaque purgeur.

Tableau 2.12.3 Poids typiques des tuyaux en acier, brides et boulons, et vannes d’isolement en kg

Partie 2 Charge de fonctionnement ****La vapeur se condense à mesure que la chaleur est perdue du tuyau vers l’environnement : Le taux de condensation dépend des facteurs suivants :

• La température de la vapeur.
• La température ambiante.
• L’efficacité du calorifugeage. Le tableau 2.12.4 donne les taux d’émission thermique typiques attendus des tuyaux en acier non calorifugés dans l’air calme à 20°C.

Tableau 2.12.4 Émission thermique des tuyaux en acier non calorifugés librement exposés dans l’air à 20 °C (W/m)

Les conduites de distribution seront normalement calorifugées, et c’est évidemment un avantage si les brides et autres éléments d’équipement de tuyauterie sont également calorifugés. Si la conduite principale est bridée, chaque paire de brides aura approximativement la même surface que 300 mm de tuyau du même diamètre.

Le taux de transfert de chaleur augmente lorsqu’une surface de transfert de chaleur est soumise à un mouvement d’air. Dans ces cas, les facteurs de multiplication, comme montré dans le tableau 2.12.5, doivent être considérés. Si des tubes à ailettes ou ondulés sont installés, les chiffres du fabricant pour l’émission thermique doivent toujours être utilisés. En termes courants, des vitesses d’air allant jusqu’à 4 ou 5 m/s (environ 10 mph) représentent une légère brise, entre 5 et 10 m/s (environ 10 - 20 mph) une brise forte. Les vitesses typiques des conduits d’air sont d’environ 3 m/s, par comparaison.

Tableau 2.12.5 Augmentation approximative de l’émission due au mouvement de l’air sur les tuyaux à haute émissivité

Note : Les chiffres exacts sont difficiles à déterminer, car de nombreux facteurs sont impliqués. Les facteurs du tableau 2.12.5 sont dérivés et donnent une indication approximative de la façon dont les chiffres du tableau 2.12.4 doivent être multipliés. Les tuyaux soumis à un mouvement d’air jusqu’à environ 1 m/s peuvent être considérés comme étant dans l’air calme, et les pertes thermiques sont assez constantes jusqu’à ce point. En guise de guide, les tuyaux peints auront une haute émissivité, l’acier oxydé une émissivité moyenne, et l’acier inoxydable poli une

faible émissivité. La réduction des pertes thermiques dépendra du type et de l’épaisseur du matériau isolant utilisé, et de son état général. Pour la plupart des usages pratiques, le calorifugeage des conduites de vapeur réduira les émissions thermiques du tableau 2.12.4 par les facteurs d’isolation (f) montrés dans le tableau 2.12.6. Notez que ces facteurs ne sont que des valeurs nominales. Pour des calculs spécifiques, consulter le fabricant d’isolant.

Tableau 2.12.6 Facteurs d’isolation « f »

La perte thermique des conduites principales isolées peut être exprimée comme suit dans l’équation 2.12.2 :

Déterminer la longueur, L : En supposant une marge équivalente à 0,3 m pour chaque paire de brides et 1,2 m pour chaque vanne d’arrêt, la longueur effective totale (L) de la conduite principale de vapeur dans cet exemple est :

Déterminer le taux d’émission thermique, Q̇ : La température de la vapeur à 14,0 bar manométrique est de 198 °C et, avec la température ambiante de 20 °C, la différence de température est de 178 °C.

D’après le tableau 2.12.4 : Perte thermique pour un tuyau de 100 mm ≈ 1 374 W / m Déterminer le facteur d’isolation, f : Le facteur d’isolation pour un isolant de 75 mm sur un tuyau de 100 mm à 14 bar g (d’après le tableau 2.12.6) est d’environ 0,07.

Comme on peut le voir dans cet exemple, la charge de réchauffement de 161 kg/h (voir exemple 2.12.1, partie 1) est nettement supérieure à la charge de fonctionnement de 18,3 kg/h, et, en général, les steam traps dimensionnés sur le régime de réchauffement assureront automatiquement la charge de fonctionnement.

Si la conduite de vapeur ci-dessus n’était pas calorifugée ou si le calorifugeage était endommagé, la charge de fonctionnement aurait été environ quatorze fois plus élevée. Avec un tuyau non isolé ou un tuyau mal isolé, comparer toujours les charges de fonctionnement et de réchauffement. La charge la plus élevée doit être utilisée pour dimensionner les steam traps, comme décrit ci-dessus. Idéalement, la qualité de l’isolant doit être améliorée. Note : Lors du calcul des pertes de réchauffement, il est judicieux de prendre en compte la spécification correcte du tuyau, car les poids des tuyaux peuvent varier entre différentes normes de tuyauterie.

La densité et la chaleur spécifique de l’air varient légèrement avec la température. Pour la plupart des usages pratiques, lors du chauffage de l’air pour les applications de CVC et de procédés avec l’approche mentionnée ci-dessous, une valeur nominale de 1,3 kJ/m³ °C peut être utilisée pour la chaleur spécifique et 1,3 kg/m3 pour la densité.

Tuyaux de chauffage d’air

De l’air chauffé est nécessaire pour de nombreuses applications, notamment :

• Le chauffage des locaux.
• La ventilation.
• Les applications de procédés.

L’équipement requis se compose souvent d’une matrice de tubes remplis de vapeur, installée à travers un flux d’air. Lorsque l’air passe sur les tubes, la chaleur est transférée de la vapeur à l’air. Souvent, afin de minimiser la taille et la masse de l’équipement, et permettre son installation dans des espaces confinés avec des travaux de support réduits, et pour limiter le coût, le taux de transfert de chaleur des tubes vers l’air est augmenté par l’ajout d’ailettes sur la paroi extérieure du tube.

Cela a pour effet d’augmenter la surface de transfert de chaleur disponible, et ainsi de réduire la quantité de tuyauterie requise. La figure 2.12.2 montre un exemple de tube à ailettes. De manière générale, les aérothermes peuvent être divisés en deux catégories :

• Les aérothermes unitaires.
• Les batteries d’aérothermes.

Aérothermes unitaires

Ceux-ci se composent d’une batterie de chauffage et d’un ventilateur dans un seul boîtier compact (figure 2.12.3). Le milieu primaire (vapeur) se condense dans la batterie de chauffage, et l’air est réchauffé en soufflant sur les serpentins et est rejeté dans l’espace. Les aérothermes unitaires peuvent être disposés pour avoir des conduits d’entrée d’air frais, mais fonctionnent plus souvent avec de l’air recyclé.

L’air chaud peut être rejeté verticalement vers le bas ou horizontalement. La pression de vapeur, les hauteurs de montage, le type de rejet et les températures de sortie sont tous interdépendants et les données du fabricant doivent être consultées avant de sélectionner l’aérotherme unitaire. La plupart des unités sont disponibles avec des ventilateurs à vitesse basse, moyenne ou haute qui affectent la puissance nominale, et là encore les données du fabricant doivent être consultées, car les niveaux de bruit à haute vitesse peuvent être inacceptables.

Batteries d’aérothermes

Ce sont en réalité des versions plus grandes et plus sophistiquées des aérothermes unitaires, voir figure 2.12.4. Ils sont disponibles dans de nombreuses configurations, y compris montés sur le toit ou de types horizontaux, et un ventilateur et un filtre peuvent également être intégrés. Ils sont généralement intégrés dans un système d’air à conduits.

• Des persiennes réglables peuvent être fournies pour ajuster le rapport entre l’air frais et l’air recyclé.
• Un certain nombre de batteries de chauffage peuvent être incorporées pour assurer la protection contre le gel.

Les fabricants d’aérothermes unitaires et de batteries d’aérothermes donnent généralement la puissance de leurs aérothermes en kW à une pression de fonctionnement. À partir de là, le taux de condensation peut être calculé en divisant la puissance thermique par l’enthalpie d’évaporation de la vapeur à cette pression. Le résultat sera en kg/s ; la multiplication par 3 600 (secondes dans une heure) donnera le résultat en kg/h.

Ainsi un aérotherme unitaire de 44 kW fonctionnant à 3,5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg d’après les tables de vapeur) condensera :

Note : La constante 3 600 est incluse dans la formule pour donner le débit en kg/h plutôt qu’en kg/s. Si les chiffres du fabricant ne sont pas disponibles mais que les éléments suivants sont connus :

• Le débit volumique de l’air chauffé.
• L’élévation de température de l’air chauffé.
• La pression de vapeur dans l’aérotherme. Alors le taux approximatif de condensation peut être calculé à l’aide de l’équation 2.12.3 :

Note : La constante 3 600 donne le résultat en kg/h plutôt qu’en kg/s.

Les tuyaux horizontaux assemblés en serpentins avec plusieurs rangées de tuyaux les uns au-dessus des autres, et reposant sur la convection naturelle, deviennent moins efficaces à mesure que le nombre de tuyaux augmente. Lors du calcul du taux de condensation pour de tels serpentins, les chiffres donnés dans le tableau 2.12.5 doivent être multipliés par les facteurs d’émission du tableau 2.12.7. Les tuyaux de chauffage installés verticalement sont également moins efficaces que les tuyaux horizontaux. Le taux de condensation de ces tuyaux peut être déterminé en multipliant les chiffres du tableau 2.12.4 par les facteurs du tableau 2.12.6. Le tableau 2.12.7 peut également être utilisé pour trouver le taux de condensation dans les tuyaux horizontaux utilisés pour chauffer l’air calme. Dans ce cas, utiliser l’équation 2.12.4 :

Effets du débit d’air

Lorsqu’un ventilateur est utilisé pour augmenter le flux d’air sur les serpentins de tuyaux, le taux de condensation augmentera. Les chiffres d’émission thermique des tuyaux en acier nus (tableau 2.12.4) peuvent être utilisés lorsqu’ils sont multipliés conformément aux facteurs des tableaux 2.12.5, 2.12.7 et 2.12.8 le cas échéant. Si des tubes à ailettes sont envisagés, les chiffres du fabricant pour l’émission thermique doivent être utilisés dans tous les cas.

Exemple 2.12.2 Calculer la charge de vapeur sur une batterie d’aérotherme

Une batterie d’aérotherme élève la température de l’air circulant à 2,3 m³/s de 18 °C à 82 °C (ΔT = 64 °C) avec de la vapeur à 3,0 bar g dans les serpentins.