Consommation de vapeur des équipements industriels

La consommation de vapeur des autres équipements industriels courants, y compris les batteries de chauffage, les accumulateurs de chaleur, les cylindres de séchage, les presses et les lignes de traçage.

Les exemples des sections suivantes dans ce module sont une révision d’équipements mentionnés précédemment, et indiquent la consommation de vapeur des autres équipements industriels courants.

Batteries de chauffage​

La plupart des fabricants d’aérothermes unitaires et de batteries d’aérothermes donnent la puissance de leurs équipements en kW. Le taux de condensation peut être déterminé à partir de cela en divisant la puissance nominale de l’équipement (en kW) par l’enthalpie d’évaporation de la vapeur à la pression de fonctionnement (en kJ/kg) pour obtenir un débit de vapeur en kg/s. La multiplication du résultat par 3 600 donnera le résultat en kg/h. Si les chiffres du fabricant ne sont pas disponibles, mais que les éléments suivants sont connus :

• Le débit volumique d’air.
• L’élévation de température.
• La pression de vapeur. Alors le taux de condensation peut être déterminé à l’aide de l’équation 2.12.3 : Exemple 2.14.1 Un aérotherme conçu pour élever la température de l’air de -5 à 30 °C est installé dans un conduit de 2 m x 2 m. La vitesse de l’air dans le conduit est de 3 m/s, la vapeur est fournie à la batterie de chauffage à 3 bar g, et la chaleur spécifique de l’air est prise comme 1,3 kJ/m³ °C.

Accumulateurs de chauffage​

Comme pour les aérothermes, la plupart des fabricants d’accumulateurs de chauffage fourniront généralement une puissance nominale pour leur équipement, et la consommation de vapeur peut être déterminée en divisant la puissance nominale en kW par l’enthalpie de la vapeur à la pression de fonctionnement pour produire un résultat en kg/s (voir équation 2.8.1). Cependant, les accumulateurs sont fréquemment trop grands pour les systèmes qu’ils desservent car :

• Les calculs initiaux de charge thermique du bâtiment qu’ils desservent auront inclus de nombreux facteurs de sécurité excessifs.
• L’accumulateur lui-même aura été sélectionné à partir d’une gamme standard, donc la première taille supérieure à la charge calculée aura été sélectionnée.
• Le fabricant de l’accumulateur aura inclus son propre facteur de sécurité sur l’équipement. Une estimation de la charge réelle à tout moment peut être obtenue si les températures de départ et de retour ainsi que le débit de pompage sont connus. Notez cependant que la hauteur de pression côté refoulement affecte le débit de la pompe, et cela peut ou non être constant. Exemple 2.14.2 4 l/s d’eau chaude à basse température (départ/retour = 82/71 °C) sont pompés dans un système de chauffage. Déterminer la puissance thermique :
• Puissance thermique = Débit d’eau x chaleur spécifique de l’eau x changement de température
• Puissance thermique = 4 l/s x 4,19 kJ/kg °C x (82 - 71 °C)
• Puissance thermique = 184 kW Une méthode alternative pour estimer la charge d’un accumulateur de chauffage consiste à considérer le bâtiment chauffé. Les calculs de charge thermique peuvent être compliqués par des facteurs incluant :
• Les renouvellements d’air.
• Les taux de transfert de chaleur à travers les murs, fenêtres et toits. Cependant, une estimation raisonnable peut être obtenue en prenant le volume du bâtiment et en allouant une capacité de chauffage de 30 W/m³. Cela donnera la charge de fonctionnement pour une température intérieure d’environ 20 °C lorsque la température extérieure est d’environ -1 °C. Températures de départ et de retour typiques pour :
• Les systèmes d’eau chaude à basse température (LTHW) : 82 °C et 71 °C (ΔT = 11 °C).
• Les systèmes d’eau chaude à moyenne température (MTHW) : 94 °C et 72 °C (ΔT = 22 °C). Les chiffres pour les systèmes d’eau chaude à haute température (HTHW) varient considérablement et doivent être vérifiés pour chaque application individuelle. Exemple 2.14.3 Le débit de vapeur vers un accumulateur de chauffage a été mesuré à 227 kg/h lorsque la température extérieure est de 7 °C et la température intérieure de 18 °C. Si la température extérieure descend à -1 °C et que la température intérieure est de 19 °C, déterminer le débit de vapeur approximatif. Cela peut être calculé par proportionnalité.

Accumulateurs de chaleur à eau chaude avec stockage

Les accumulateurs de chaleur à eau chaude avec stockage sont conçus pour élever la température de l’ensemble de leur contenu du froid à la température de stockage dans un délai spécifié. Valeurs typiques au Royaume-Uni :

• Température de l’eau froide 10 °C
• Température de l’eau chaude 60 °C Temps de chauffe (également appelé « temps de récupération ») = 1 heure. La masse d’eau à chauffer peut être déterminée à partir du volume du récipient. (Pour l’eau, densité ρ = 1 000 kg/m³, et chaleur spécifique (cp) = 4,19 kJ/kg °C). Exemple 2.14.4 Un accumulateur avec stockage se compose d’un récipient cylindrique de 1,5 m de diamètre et 2 m de haut. Le contenu du récipient doit être chauffé à 60 °C en 1 heure.

La température de l’eau entrante est de 10 °C et la pression de vapeur est de 7 bar g. Déterminer le débit de vapeur :

Cylindres de séchage

Les cylindres de séchage varient considérablement en disposition et en application, et par conséquent en consommation de vapeur. En dehors des grandes variations de taille, de pression de vapeur et de vitesse de rotation, les cylindres peuvent être vidangés à travers le cadre des machines, comme dans les séchoirs à cylindres textiles, ou au moyen d’un système de soufflage dans le cas des machines à papier à grande vitesse. Inversement, les séchoirs à film et les machines à papier à faible vitesse peuvent utiliser des steam traps individuels sur chaque cylindre. La demande variera des petites pertes à l’arrêt d’un cylindre séchant du fil de coton dimensionné, aux charges lourdes à l’extrémité humide d’une machine à papier ou dans un séchoir à film.

C’est pourquoi, des chiffres précis ne peuvent être obtenus que par mesure. Cependant, certaines formules fiables sont en usage, qui permettent d’estimer la consommation de vapeur dans des limites raisonnables. Dans le cas des machines de séchage à cylindres textiles, le comptage du nombre de cylindres et la mesure de la circonférence et de la largeur de chacun conduiront à la surface de chauffage totale. Les deux extrémités de chaque cylindre doivent être incluses et 0,75 m² par cylindre doivent être ajoutés pour couvrir les têtes de poupée et les cadres, sauf lorsque la purge individuelle est utilisée. La perte par rayonnement de la machine, à l’arrêt, mesurée en kg de vapeur par heure, peut être estimée en multipliant

la surface totale par un facteur de 2,44. La charge de fonctionnement en kg par heure sera obtenue en utilisant un facteur de 8,3. (En unités impériales, la surface sera mesurée en pieds carrés et les facteurs correspondants seront respectivement de 0,5 et 1,7). Cela est basé sur une machine séchant des pièces à un taux de 64 à 73 mètres par minute (70 à 80 yards par minute), mais en apportant des ajustements, cela peut être utilisé pour des machines fonctionnant dans des conditions différentes. Les facteurs de l’équation ci-dessus sont des constantes dérivées empiriquement : 1,5 = Facteur appliqué aux séchoirs à cylindres. 2 550 = Enthalpie moyenne de l’eau + enthalpie d’évaporation nécessaire pour évaporer l’humidité. 1,26 = Chaleur spécifique moyenne du matériau. Les cylindres de séchage ont tendance à avoir une lourde charge de démarrage en raison du volume important de l’espace vapeur et de la masse métallique à chauffer, et un facteur de trois fois la charge de fonctionnement doit être prévu pour le dimensionnement des steam traps. Il faut également se rappeler que l’air peut causer des difficultés particulières, telles que des temps de réchauffement prolongés et une température de surface inégale. Des dispositions spéciales doivent donc être prises pour évacuer l’air des cylindres.

Presses

Les presses, comme les cylindres de séchage, se présentent sous toutes les formes, tailles et pressions de fonctionnement, et sont utilisées à de nombreuses fins, telles que le moulage de poudres plastiques, la préparation de stratifiés, la fabrication de pneus (voir figure 2.14.4) et la fabrication de contreplaqué. Elles incorporent parfois aussi un cycle de refroidissement. Évidemment, il serait difficile de calculer les charges de vapeur avec précision et la seule façon d’obtenir des résultats crédibles est la mesure. Ce type d’équipement peut être « ouvert », permettant une perte par rayonnement vers l’atmosphère, ou « fermé », lorsque les deux surfaces de chauffage sont en fait isolées l’une de l’autre par le produit. Bien qu’une partie de la chaleur soit absorbée par le produit, le résultat net est que la consommation de vapeur est à peu près la même que l’équipement fonctionne ou soit à l’arrêt, bien que des fluctuations se produisent lors de l’ouverture et de la fermeture. La consommation de vapeur peut parfois être estimée à l’aide de l’équation de transfert de chaleur de base 2.5.3 : Les valeurs U montrées dans la figure 2.9.1 peuvent parfois être utilisées. Elles peuvent donner des résultats raisonnables dans le cas de grandes presses à plateaux, mais sont moins précises lorsque de petites quantités de moules de formes complexes sont considérées, principalement en raison de la difficulté d’estimer la surface. Une caractéristique de ce type d’équipement est le petit espace vapeur, et une charge de vapeur relativement élevée lors du réchauffement à partir du froid. Pour tenir compte de cela et des fluctuations de charge, les steam traps doivent être dimensionnés avec un facteur de 2 fois la charge de fonctionnement. Le contrôle de température peut être très précis avec des vapes de réduction à action directe pilotées, donnant une pression de vapeur constante et régulière correspondant à la température de surface requise. Celles-ci sont dimensionnées simplement sur la charge de vapeur conçue.

Lignes de traçage

Les conduites transportant des fluides visqueux sont fréquemment maintenues à une température élevée au moyen de lignes de traçage à vapeur. Celles-ci consistent généralement en une ou plusieurs lignes de vapeur de petit diamètre courant le long de la conduite de produit, le tout étant recouvert d’isolant. En théorie, le calcul exact de la consommation de vapeur est difficile, car il dépend :

• Du degré de contact entre les deux lignes, et de l’utilisation ou non de pâtes conductrices de chaleur.
• De la température du produit.
• De la longueur, de la température et de la chute de pression le long des lignes de traçage.
• De la température ambiante.
• De la vitesse du vent.
• De l’émissivité du revêtement. En pratique, il est généralement prudent de supposer que la ligne de traçage remplace simplement les pertes par rayonnement de la conduite de produit elle-même. Sur cette base, la consommation

de vapeur de la ligne de traçage peut être considérée comme une charge de fonctionnement égale à la perte par rayonnement des conduites de produit. Le tableau 2.14.1 fournit les pertes thermiques des conduites isolées avec soit 50 soit 100 mm d’isolant. Exemple 2.14.5 Une conduite de 50 m de long x 200 mm contient un produit liquide à 120 °C. La température ambiante est de 20 °C, la conduite a 50 mm d’isolant, et la vapeur est fournie à 7 bar g au(x) traceur(s). Déterminer la consommation de vapeur : Pour les conduites à chemise, la perte thermique peut être supposée identique à celle d’une conduite principale de vapeur dont le diamètre est égal à celui de la chemise ; en tenant également compte de tout isolant. Lors du dimensionnement des steam traps, un facteur de 2 fois la charge de fonctionnement doit être utilisé pour couvrir les conditions de démarrage, mais toute vanne de régulation de température peut être dimensionnée pour gérer uniquement la charge de conception. Dimensionnement de la ligne de traçage L’exemple 2.14.5 calcule la charge de traceur de vapeur sur la base de la perte thermique de la conduite. En pratique, la ligne de traçage ne sera pas exactement dimensionnée pour correspondre à cette perte thermique. Le tableau 2.14.2 montre la puissance thermique utile des lignes de traçage en acier et cuivre de 15 mm et 20 mm fonctionnant à différentes pressions le long de conduites de produit à différentes températures. Le tableau tient compte des pertes thermiques des lignes de traçage vers l’air ambiant à travers l’isolant. Dans l’exemple 2.14.5, la perte thermique de la conduite était de 97 W/m. La ligne de traçage doit être capable de fournir au moins ce taux de transfert de chaleur. Le tableau 2.14.2 montre que, par interpolation, la puissance thermique utile d’une ligne de traçage en acier de 15 mm est de 33 W/m pour une température de produit de 120 °C et une pression de vapeur de 5 bar g. Le nombre de traceurs nécessaires pour maintenir la température de produit de 120 °C est donc : Par conséquent, trois lignes de traçage en acier de 15 mm seront nécessaires pour cette application comme montré dans la figure 2.14.9.