Théorie de la purge d'air

L’effet de l’air

Si de l’air est mélangé à la vapeur et circule avec elle, des poches d’air resteront aux surfaces d’échange thermique où la vapeur se condense. Progressivement, une fine couche se forme pour constituer une couverture isolante, entravant le transfert de chaleur comme montré dans la figure 11.12.1. L’air est largement utilisé comme isolant en raison de sa faible conductivité (par exemple, le double vitrage utilisé dans les fenêtres modernes est simplement deux couches de verre avec une couche isolante d’air prise en sandwich entre elles). De même, l’air est utilisé pour réduire la perte thermique des conduites de vapeur. La plupart des matériaux isolants sont constitués de millions de cellules d’air microscopiques, au sein d’une matrice de fibre de verre, de laine minérale ou de matériau de type polymère. L’air est l’isolant et le matériau solide le maintient simplement en position. De même, un film d’air côté vapeur d’une surface de transfert de chaleur résiste au flux de chaleur, réduisant le taux de transfert de chaleur.

La conductivité thermique de l’air est de 0,025 W/m °C, tandis que le chiffre correspondant pour l’eau est typiquement de 0,6 W/m °C, pour le fer il est d’environ 75 W/m °C et pour le cuivre d’environ 390 W/m °C. Un film d’air de seulement 1 mm d’épaisseur offre environ la même résistance au flux de chaleur qu’un mur de cuivre d’environ 15 mètres d’épaisseur ! Il est peu probable que l’air existe comme un film uniforme à l’intérieur de l’échangeur de chaleur. Plus probablement, la concentration d’air est plus élevée près de la surface de condensation, et plus faible plus loin. Il est cependant pratique de le traiter comme une couche homogène lorsque l’on essaie de montrer sa résistance au flux de chaleur. Lorsque de l’air est ajouté à la vapeur, le contenu thermique d’un volume donné du mélange est inférieur à celui du même volume de vapeur pure, donc la température du mélange est abaissée. La loi de Dalton des pressions partielles stipule que ; « Dans un mélange de vapeur et d’air, la pression totale est la somme des pressions partielles que chaque gaz exercerait, en occupant le volume total seul ». Par exemple, si la pression totale d’un mélange vapeur/air à 2 bar (absolu) est composée de 3 parties de vapeur pour 1 partie d’air en volume, alors : Pression partielle d’air = ¼ x 2 bar a = 0,5 bar a Pression partielle de vapeur = ¾ x 2 bar a = 1,5 bar a Pression totale du mélange = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar g) Le manomètre indiquerait une pression de 1 bar g, suggérant à l’observateur une température correspondante de 120°C. Cependant, la pression partielle due à la quantité de vapeur présente dans le mélange n’est que de 0,5 bar g (1,5 bar a), contribuant à une température de seulement 112°C. D’où, la présence d’air a un double effet :

• Elle offre une résistance au transfert de chaleur par son effet de couche.
• Elle réduit la température de l’espace vapeur réduisant ainsi le gradient de température à travers la surface de transfert de chaleur. L’effet global est de réduire le taux de transfert de chaleur en dessous de celui qui peut être requis par un processus critique, et dans les pires cas peut même empêcher l’atteinte d’une température de processus finale requise. Dans de nombreux processus, une température minimale est nécessaire pour atteindre un changement chimique ou physique dans un produit, tout comme une température minimale est essentielle dans un stérilisateur. La présence d’air est particulièrement problématique car elle induira en erreur un manomètre. Il s’ensuit que la température ne peut pas être déduite de la pression.

L’air dans le système

De l’air est présent dans les conduites de vapeur et l’équipement à vapeur au démarrage. Même si le système avait été rempli de vapeur pure lors de son utilisation, la vapeur condensée provoquerait un vide et aspirerait l’air dans les conduites à l’arrêt.

L’air peut également pénétrer dans le système en solution dans l’eau d’alimentation. À 80°C, l’eau peut dissoudre environ 0,6 % de son volume d’air. La solubilité de l’oxygène est environ le double de celle de l’azote, donc l’« air » qui se dissout dans l’eau contient presque une partie d’oxygène pour deux d’azote plutôt qu’une partie pour quatre parties dans l’air atmosphérique. Le dioxyde de carbone a une solubilité plus élevée, environ 30 fois supérieure à celle de l’oxygène.

L’eau d’alimentation de la chaudière et le condensat exposé à l’atmosphère peuvent facilement absorber ces gaz. Lorsque l’eau est chauffée dans la chaudière, les gaz sont libérés avec la vapeur et entraînés dans le système de distribution. À moins que l’eau de « complément » de la chaudière ne soit entièrement déminéralisée et dégazée, elle contiendra souvent du carbonate de sodium soluble issu de l’échange chimique des processus de traitement de l’eau. Le carbonate de sodium peut être libéré dans une certaine mesure dans la chaudière et là encore du dioxyde de carbone est formé.

Avec les chaudières à plus haute pression, l’eau d’alimentation est souvent passée à travers un déaérateur avant d’être pompée vers la chaudière. Les meilleurs déaérateurs peuvent réduire les niveaux d’oxygène à 3 parties par million (ppm) dans l’eau. Cet oxygène résiduel peut ensuite être traité par traitement chimique. Cependant, une telle quantité d’oxygène sera accompagnée d’environ 6 ppm d’azote, que le traitement chimique ignore. Si la chaudière est de taille moyenne produisant 10 000 kg par heure de vapeur, elle utilise environ 10 000 litres par heure d’eau, produisant à son tour 60 cm³ d’azote. Cela s’accumulera avec le temps avec un effet significatif sur le transfert de chaleur s’il n’est pas éliminé du système.

Les meilleurs traitements physiques et chimiques permettront quand même à certains gaz incondensables non traités de quitter la chaudière avec la vapeur. L’air, fréquemment insoupçonné, est plus répandu dans les systèmes de vapeur qu’on ne le croit et est la cause à la fois de la limitation de la production et de la corrosion de l’équipement.

Signe​s de la présence d’air

1. Une baisse progressive de la production de tout équipement chauffé à la vapeur.
2. Des bulles d’air dans le condensat.
3. De la corrosion. L’élimination de l’air des systèmes de vapeur est primordiale. Les pages suivantes abordent la question en discutant de l’application des purgeurs d’air.

Élimination de l’air

Le moyen le plus efficace de purge d’air est avec un dispositif automatique. L’air mélangé à la vapeur abaisse la température du mélange. Cela permet à un dispositif thermostatique (basé sur le principe de pression équilibrée ou bimétallique) de purger le système de vapeur. Un purgeur d’air installé sur l’espace vapeur d’un récipient (figure 11.12.3) ou à l’extrémité d’une conduite principale de vapeur (figure 11.12.4) s’ouvrira lorsque de l’air est présent. Pour une élimination maximale de l’air, la décharge doit être aussi libre que possible. Un tuyau est souvent installé pour conduire la décharge vers un emplacement sûr, de préférence pas une ligne de retour de condensat, qui pourrait restreindre la libération libre de l’air et pourrait également favoriser la corrosion. Lorsqu’un purgeur d’air est installé pour contourner un steam trap (figure 11.12.5), il agira comme un steam trap après que l’air a été purgé, et pourra de temps en temps évacuer du condensat. Dans de tels cas, il est nécessaire de reconnecter le purgeur d’air à la ligne de condensat après le purgeur.

Si la ligne de décharge de condensat d’un purgeur monte à un niveau élevé, la ligne inondée impose une contre-pression sur le purgeur et le purgeur d’air. La capacité du purgeur d’air à évacuer l’air est réduite, en particulier au démarrage. Cela s’applique également lorsque le purgeur d’air est intégré dans un steam trap. Lorsque la forme de l’espace vapeur de l’application et la position de l’entrée de vapeur signifient que la majeure partie de l’air sort par la sortie de condensat, il est préférable que les lignes de décharge du steam trap et du purgeur d’air ne montent pas à un niveau élevé.

L’emplacement du purgeur d’air

Lorsqu’un serpentin ou un récipient a une section transversale relativement petite, la vapeur qui y est admise agira comme un piston, poussant l’air vers un point éloigné de l’entrée de vapeur. Ce « point éloigné » est généralement le meilleur emplacement pour le purgeur d’air. Dans le cas d’un utilisateur de vapeur de la forme montrée dans la figure 11.12.6, une partie de l’air passera par la sortie de condensat, selon les dispositions prises dans le purgeur, ou dans un by-pass, pour la gestion de l’air. Le reste de l’air pourrait s’accumuler comme indiqué, formant un point froid sur la surface de chauffage. L’unité ne peut pas se réchauffer uniformément, et une déformation peut être causée dans certains équipements, comme les plateaux de repasseuses de blanchisserie. Comme un mélange air/vapeur est plus dense que la vapeur pure à la même pression, il est généralement suffisant de fournir une capacité de purge d’air dans le steam trap situé en position basse. Cependant, le mode de fonctionnement du purgeur signifie que le condensat forme un joint hydraulique à l’entrée du purgeur empêchant parfois l’air d’atteindre le purgeur. Il peut être nécessaire d’envisager un purgeur d’air automatique connecté à l’espace vapeur au-dessus du niveau de tout condensat. Il est souvent pratique et suffisamment efficace de le connecter au sommet de l’espace vapeur, comme dans la figure 11.12.6. Cependant, dans le cas de deux espaces vapeur de même taille et forme mais avec des positions d’entrée de vapeur différentes, l’emplacement du purgeur d’air pourrait être différent. Dans les figures 11.12.7 et 11.12.8, le condensat s’écoule du fond du récipient mais avec l’entrée de vapeur au fond, au démarrage, l’air tendrait à être poussé vers le point éloigné qui est au sommet. Il peut être préférable de placer un purgeur d’air au sommet tandis qu’un steam trap flotteur-thermostatique gérera tout air résiduel qui s’est accumulé au fond du récipient.