Qualité de la vapeur

La vapeur doit être disponible au point d’utilisation en quantité correcte, à la pression correcte, propre, sèche et exempte d’air et d’autres gaz incondensables. Ce tutoriel explique pourquoi cela est nécessaire, et comment la qualité de la vapeur est assurée.

Quantité correcte de vapeur

La quantité correcte de vapeur doit être disponible pour tout processus de chauffage afin de garantir qu’un flux thermique suffisant est fourni pour le transfert de chaleur. De même, le débit correct doit également être fourni de sorte qu’il n’y ait pas de détérioration du produit ou de baisse du rythme de production. Les charges de vapeur doivent être correctement calculées et les tuyaux doivent être correctement dimensionnés pour atteindre les débits requis.

Pression et température correctes de la vapeur

La vapeur doit atteindre le point d’utilisation à la pression requise et fournir la température souhaitée pour chaque application, sinon les performances seront affectées. Le dimensionnement correct des tuyauteries et des accessoires de pipeline garantira que cela est atteint. Cependant, même si le manomètre affiche correctement la pression souhaitée, la température de saturation correspondante peut ne pas être disponible si la vapeur contient de l’air et/ou des gaz incondensables.

Air et autres gaz incondensables

De l’air est présent dans les conduites d’alimentation en vapeur et l’équipement au démarrage. Même si le système avait été rempli de vapeur pure la dernière fois qu’il a été utilisé, la vapeur se serait condensée à l’arrêt, et l’air aurait été aspiré par le vide résultant. Lorsque la vapeur entre dans le système, elle repoussera l’air soit vers le point de drainage, soit vers le point le plus éloigné de l’entrée de vapeur, connu sous le nom de point éloigné. Par conséquent, des steam traps avec des capacités de purge d’air suffisantes doivent être installés à ces points de drainage, et des purgeurs d’air automatiques doivent être installés à tous les points éloignés. Cependant, s’il y a une turbulence, la vapeur et l’air se mélangeront et l’air sera entraîné vers la surface de transfert de chaleur. Lorsque la vapeur se condense, une couche isolante d’air est laissée sur la surface, agissant comme une barrière au transfert de chaleur.

Mélanges vapeur et air

Dans un mélange d’air et de vapeur, la présence d’air entraînera une température inférieure à celle attendue. La pression totale d’un mélange de gaz est constituée de la somme des pressions partielles des composants du mélange. C’est connu sous le nom de loi de Dalton des pressions partielles. La pression partielle est la pression exercée par chaque composant s’il occupait le même volume que le mélange :

Note : C’est une relation thermodynamique, donc toutes les pressions doivent être exprimées en bar a.

Exemple 2.4.1

Considérons un mélange vapeur/air composé de ¾ de vapeur et ¼ d’air en volume. La pression totale est de 4 bar a.

Par conséquent, la vapeur n’a qu’une pression effective de 3 bar a par opposition à sa pression apparente de 4 bar a. Le mélange n’aurait qu’une température de 134 °C plutôt que la température de saturation attendue de 144 °C.

Ce phénomène n’est pas seulement important dans les applications d’échange thermique (où le taux de transfert de chaleur augmente avec l’augmentation de la différence de température), mais aussi dans les applications de procédé où une température minimale peut être requise pour atteindre un changement chimique ou physique dans un produit. Par exemple, une température minimale est essentielle dans un stérilisateur afin de tuer les bactéries.

Autres sources d’air dans le circuit vapeur et condensat

De l’air peut également pénétrer dans le système en solution dans l’eau d’alimentation de la chaudière. L’eau de complément et le condensat, exposés à l’atmosphère, absorberont facilement l’azote, l’oxygène et le dioxyde de carbone : les principaux composants de l’air atmosphérique. Lorsque l’eau est chauffée dans la chaudière, ces gaz sont libérés avec la vapeur et entraînés dans le système de distribution. L’air atmosphérique se compose de 78 % d’azote, 21 % d’oxygène et 0,03 % de dioxyde de carbone, en analyse volumique. Cependant, la solubilité de l’oxygène est environ le double de celle de l’azote, tandis que le dioxyde de carbone a une solubilité environ 30 fois supérieure à celle de l’oxygène ! Cela signifie que l’« air » dissous dans l’eau d’alimentation de la chaudière contiendra des proportions beaucoup plus importantes de dioxyde de carbone et d’oxygène : les deux causent de la corrosion dans la chaudière et la tuyauterie. La température du bac d’alimentation est maintenue à une température généralement pas inférieure à 80 °C afin que l’oxygène et le dioxyde de carbone puissent être libérés dans l’atmosphère, car la solubilité de ces gaz dissous diminue avec l’augmentation de la température.

La concentration de dioxyde de carbone dissous est également maintenue au minimum en déminéralisant et en dégazant l’eau de complément à l’étape de traitement de l’eau externe. La concentration de gaz dissous dans l’eau peut être déterminée à l’aide de la loi de Henry. Celle-ci indique que la masse de gaz pouvant être dissoute par un volume donné de liquide est directement proportionnelle à la pression partielle du gaz. Cela n’est vrai cependant que si la température est constante, et qu’il n’y a pas de réaction chimique entre le liquide et le gaz.

Propreté de la vapeur

Les couches de tartre trouvées sur les parois des tuyaux peuvent être dues soit à la formation de rouille dans les anciens systèmes de vapeur, soit à un dépôt de carbonate dans les zones d’eau dure. Les autres types de saletés pouvant être trouvés dans une conduite d’alimentation en vapeur comprennent les scories de soudure et les matériaux de jointoiement mal appliqués ou en excès, qui peuvent avoir été laissés dans le système lors de l’installation initiale de la tuyauterie. Ces fragments auront pour effet d’augmenter le taux d’érosion dans les coudes des tuyaux et les petits orifices des steam traps et des vannes. Pour cette raison, il est recommandé d’installer un filtre de tuyauterie (comme montré dans la figure 2.4.2). Celui-ci doit être installé en amont de chaque steam trap, débitmètre, détendeur et vanne de régulation.

La vapeur circule de l’entrée A à travers le tamis perforé B vers la sortie C. Alors que la vapeur et l’eau passeront facilement à travers le tamis, les saletés seront retenues. Le capuchon D peut être retiré, permettant au tamis d’être retiré et nettoyé à intervalles réguliers.

Lorsque des filtres sont installés dans les conduites de vapeur, ils doivent être installés sur le côté afin d’éviter l’accumulation de condensat et les problèmes de coup de bélier hydraulique. Cette orientation exposera également la surface maximale du tamis au flux. Une couche de tartre peut également être présente sur la surface de transfert de chaleur, agissant comme une barrière supplémentaire au transfert de chaleur. Les couches de tartre résultent souvent soit :

• D’un fonctionnement incorrect de la chaudière, entraînant le transport d’impuretés depuis la chaudière dans des gouttelettes d’eau.
• D’un traitement de l’eau incorrect dans la chaufferie. Le taux d’accumulation de cette couche peut être réduit par une attention minutieuse au fonctionnement de la chaudière et par l’élimination des gouttelettes d’humidité.

Sécheresse de la vapeur

Un traitement chimique incorrect de l’eau d’alimentation et des périodes de charge de pointe peuvent provoquer l’amorçage et l’entraînement de l’eau d’alimentation de la chaudière dans les conduites principales de vapeur, entraînant le dépôt de produits chimiques et d’autres matières sur les surfaces de transfert de chaleur. Ces dépôts s’accumuleront au fil du temps, réduisant progressivement l’efficacité de l’installation. En plus de cela, à mesure que la vapeur quitte la chaudière, une partie doit se condenser en raison des pertes thermiques à travers les parois des tuyaux. Bien que ces tuyaux puissent être bien isolés, ce processus ne peut être complètement éliminé. Le résultat global est que la vapeur arrivant à l’installation est relativement humide, et les gouttelettes d’humidité entraînées avec la vapeur peuvent éroder les tuyaux, les raccordements et les vannes, en particulier si les vitesses sont élevées. Il a déjà été démontré que la présence de gouttelettes d’eau dans la vapeur réduit l’enthalpie réelle d’évaporation et entraîne également la formation de tartre sur les parois des tuyaux et la surface de transfert de chaleur. Les gouttelettes d’eau entraînées dans la vapeur peuvent également ajouter au film résistant d’eau produit lors de la condensation de la vapeur, créant encore une autre barrière au processus de transfert de chaleur. Un séparateur dans la conduite de vapeur éliminera les gouttelettes d’humidité entraînées dans le flux de vapeur, ainsi que tout condensat qui s’est gravité vers le fond du tuyau. Dans le séparateur montré dans la figure 2.4.3, la vapeur est forcée de changer de direction plusieurs fois en circulant à travers le corps. Les chicanes créent un obstacle pour les gouttelettes d’eau les plus lourdes, tandis que la vapeur sèche plus légère est autorisée à circuler librement à travers le séparateur. Les gouttelettes d’humidité coulent le long des chicanes et sont évacuées par le raccordement inférieur du séparateur vers un steam trap. Cela permettra au condensat de s’écouler du système, mais ne permettra pas le passage de la vapeur.

Coup de bélier hydraulique

Lorsque la vapeur commence à se condenser en raison des pertes thermiques dans le tuyau, le condensat forme des gouttelettes à l’intérieur des parois. Lorsqu’elles sont entraînées dans le flux de vapeur, elles fusionnent ensuite en un film. Le condensat se gravite ensuite vers le fond du tuyau, où le film commence à augmenter en épaisseur. L’accumulation de gouttelettes de condensat le long d’une longueur de tuyauterie de vapeur peut finalement former un bouchon d’eau (comme montré dans la figure 2.4.4), qui sera entraîné à la vitesse de la vapeur le long de la tuyauterie (25 - 30 m/s).

Ce bouchon d’eau est dense et incompressible, et lorsqu’il se déplace à haute vitesse, possède une quantité considérable d’énergie cinétique.

Les lois de la thermodynamique stipulent que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais simplement convertie en une forme différente. Lorsqu’il est obstrué, peut-être par un coude ou un té dans le tuyau, l’énergie cinétique de l’eau est convertie en énergie de pression et un choc de pression est appliqué à l’obstruction. Le condensat s’accumule également aux points bas, et des bouchons de condensat peuvent être aspirés par le flux de vapeur et projetés en aval vers les vannes et les raccordements de tuyauterie.

Ces points bas peuvent inclure une conduite principale affaissée, qui peut être due à un support de tuyau inadéquat ou un support de tuyau cassé. Les autres sources potentielles de coups de bélier hydraulique comprennent l’utilisation incorrecte de réducteurs concentriques et de filtres, ou un drainage inadéquat avant une montée dans la conduite principale de vapeur. Certains de ceux-ci sont montrés dans la figure 2.4.5. Le bruit et les vibrations causés par l’impact entre le bouchon d’eau et l’obstruction sont connus sous le nom de coup de bélier hydraulique. Le coup de bélier hydraulique peut réduire considérablement la durée de vie des accessoires de pipeline. Dans les cas graves, le raccordement peut se fracturer avec un effet presque explosif. La conséquence peut être la perte de vapeur vive à la fracture, créant une situation dangereuse. L’installation de la tuyauterie de vapeur est traitée en détail dans le Bloc 10, Distribution de vapeur.