Considérations pour la sélection des steam traps

Le type d’application, la conception du système et les besoins de maintenance influenceront les performances et la sélection des steam traps. Des facteurs tels que les coups de bélier hydraulique, les saletés, le verrouillage par la vapeur, la purge groupée, les conditions de vide et le contrôle de température des processus sont discutés dans ce tutoriel.

Considérations

Par définition, un steam trap doit piéger ou retenir la vapeur tout en ne restreignant pas le passage du condensat, de l’air et des autres gaz incondensables. Les exigences de base d’une bonne purge de vapeur ont déjà été esquissées mais il est utile de répéter que la performance de l’installation est primordiale. La sélection du purgeur découle du fait que les exigences de pression, de charge de condensat et de purge d’air ont été satisfaites, dans la sélection provisoire. Cependant, la conception du système et les besoins de maintenance influenceront également les performances et la sélection. Veuillez vous référer aux sous-sections suivantes de ce module pour de plus amples conseils sur ce sujet. Coup de bélier hydraulique Le coup de bélier hydraulique est le symptôme d’un problème dans le système de vapeur. Cela pourrait être dû à une mauvaise conception de la tuyauterie de vapeur et de condensat, à l’utilisation du mauvais type de purgeur ou purgeurs, ou à un steam trap défectueux, ou à une combinaison de ces facteurs. Il est souvent futile d’installer le bon purgeur pour une application si la disposition du système ne permet pas au purgeur de fonctionner correctement. Il est tout aussi inutile d’installer la bonne disposition et de ne pas accorder une attention appropriée à la purge de vapeur. Les modules 11.6 à 11.11 inclus « Sélection des steam traps » traiteront de l’association correcte des steam traps aux applications et aux dispositions. La disposition correcte de la tuyauterie de vapeur est également traitée dans le Bloc 10 - « Distribution de vapeur ». Les symptômes de coups de bélier hydraulique sont souvent attribués à un dysfonctionnement du steam trap. Une explication plus probable est qu’un steam trap défectueux a été endommagé par les coups de bélier hydraulique. Les coups de bélier hydraulique peuvent être causés de plusieurs manières, y compris :

• Le défaut d’élimination du condensat du chemin de la vapeur à haute vitesse dans la tuyauterie.
• D’une application à température contrôlée et où le condensat doit s’élever vers une ligne de retour, ou retourner vers un système sous pression.
• L’incapacité du condensat à entrer correctement ou à circuler le long d’une ligne de retour sous-dimensionnée, en raison soit (a) d’un débordement, soit (b) d’une surpressurisation avec les effets d’étranglement du flash steam. Les techniques modernes de conception et de fabrication ont produit des steam traps plus robustes que ceux de leurs prédécesseurs. Cela permet au steam trap de durer plus longtemps dans des conditions normales, et sera également mieux à même de résister aux effets des systèmes mal conçus. Fondamentalement, aussi bien qu’un steam trap soit fabriqué, s’il est installé dans un système mal conçu, il sera moins efficace et aura une durée de vie plus courte. Si un steam trap tombe en panne de manière persistante sur un système établi en raison de coups de bélier hydraulique, c’est probablement la faute de la disposition du système, plutôt que du purgeur. La solution est d’enquêter et d’éradiquer la véritable cause du problème en corrigeant les insuffisances du système. Deux applications importantes sont le drainage des conduites principales de vapeur et des échangeurs de chaleur à température contrôlée. En règle générale, les conduites principales de vapeur doivent être drainées à des intervalles réguliers de 30 à 50 mètres avec des poches de drainage correctement dimensionnées. Le bas de toute colonne montante doit également être drainé. Les échangeurs de chaleur à température contrôlée ne peuvent fonctionner efficacement que si le condensat est autorisé à s’en écouler librement. S’il y a une surélévation après le purgeur, il y aura toujours une tendance aux coups de bélier hydraulique, quel que soit le purgeur installé. Dans cette situation, le purgeur doit être complété par une pompe, ou remplacé par une pompe-trap. Ce sujet sera traité plus en détail dans le Bloc 13 - « Élimination du condensat » Il est important que la tuyauterie soit conçue et installée correctement. Cela aidera à maintenir les performances thermiques du système tout au long de sa durée de vie. Saleté La saleté est un autre facteur majeur qui doit être pris en compte lors de la sélection des purgeurs. Bien que la vapeur se condense en eau distillée, elle peut parfois contenir des traces de produits de traitement de l’eau d’alimentation de la chaudière et des minéraux naturels trouvés dans l’eau. Les saletés de tuyauterie créées pendant l’installation et les produits de corrosion doivent également être pris en compte. Un purgeur à action intermittente par rafale est le moins susceptible d’être affecté par la saleté. Dans les purgeurs thermostats, cela signifie que le purgeur thermostatique à pression équilibrée est préférable, bien que la plus grande vanne plate associée à certains purgeurs à membrane puisse causer des difficultés. L’action de coulage des purgeurs bimétalliques, combinée à la disposition de la tige de vanne traversant le siège, signifie que ceux-ci sont les plus sujets aux dysfonctionnements (en raison des frottements supplémentaires) ou même au colmatage. Il est parfois affirmé que l’élément capteur peut être facilement nettoyé et n’est pas sujet à l’encrassement. Cependant, l’encrassement de l’élément est rarement un problème : les pièces pertinentes sont le mécanisme de vanne à « clapet dynamique », qui a tendance à être auto-nettoyant en raison de son action d’ouverture positive. Les steam traps flotteur-thermostatiques sont assez résistants à la saleté. À titre d’exemple extrême, lors du drainage des autoclaves de durcissement du béton, le sable résiduel qui précipite dans le condensat peut être transporté à travers de grands steam traps flotteur-thermostatiques avec succès, en raison du flux à faible vitesse à travers un orifice relativement grand. Le purgeur à seau inversé a un orifice de purge d’air dans le seau. S’il se bouche, il peut provoquer un blocage du purgeur par l’air et un temps de réaction lent. Si cela se produit, le tartre ou la saleté bloquant la purge d’air doit être délogé, ce qui nécessite le retrait du purgeur du service. Le purgeur à impulsion est intolérant aux conditions de saleté. Le jeu fin entre le piston et le manchon conique est sensible au flux à haute vitesse et le piston se coincera fréquemment dans une position intermédiaire. Le purgeur se bloque dans une position fixe et laissera passer soit de la vapeur soit du condensat selon le taux de condensation. Le dispositif à orifice fixe est le moins adapté aux conditions de saleté. Le trou est intrinsèquement petit et se bouche fréquemment. L’agrandissement du trou (comme c’est parfois fait par désespoir) détruit le concept de dimensionnement sur un orifice fixe. C’est du gaspillage et dans certains cas ne fait que retarder le moment où le colmatage se reproduit. Un filtre est souvent fourni et installé mais celui-ci doit être extrêmement fin pour être efficace. Cela transfère simplement le colmatage de l’orifice du purgeur au filtre, qui, à son tour, nécessite des temps d’arrêt réguliers pour le nettoyage. Filtres

Ces dispositifs (figure 11.5.1) sont souvent oubliés dans les systèmes de vapeur, souvent, semble-t-il, dans un effort pour réduire les coûts d’installation. Le tartre et les saletés de tuyauterie peuvent affecter les clapets de régulation et les steam traps, et réduire les taux de transfert de chaleur. Il est extrêmement facile et peu coûteux d’installer un filtre dans une tuyauterie, et le faible coût de cette opération portera ses fruits tout au long de la vie de l’installation. Le tartre et les saletés sont retenus, et la maintenance est généralement réduite en conséquence. La sélection est simple. Le matériau du filtre est sélectionné pour correspondre au type d’installation et à la pression du système jusqu’à laquelle il est censé fonctionner. Différentes tailles de mailles de filtre peuvent être envisagées pour différents degrés de protection. Plus le filtre est fin, plus il devra être nettoyé souvent. Une chose est certaine, les filtres sont bien plus faciles et moins coûteux à acheter et à entretenir que les clapets de régulation ou les steam traps. De plus amples informations sur les filtres sont données dans le Bloc 12 - « Accessoires de tuyauterie » Verrouillage par la vapeur

La possibilité de verrouillage par la vapeur peut parfois être un facteur déterminant dans la sélection des steam traps. Cela peut se produire chaque fois qu’un steam trap est installé à distance de l’équipement à drainer. Cela peut devenir aigu lorsque le condensat est éliminé par un siphon ou un tube plongeur. La figure 11.5.2 illustre le problème du verrouillage par la vapeur dans un cylindre de séchage rotatif en utilisant un tuyau de siphon. Dans la figure 11.5.2 (i), la pression de vapeur est suffisante pour soulever le condensat dans le tuyau de siphon, à travers le steam trap et l’évacuer. La figure 11.5.2 (ii) montre ce qui se passe lorsque le niveau du condensat au fond du cylindre tombe en dessous de l’extrémité du tuyau de siphon. La vapeur entre dans le tuyau de siphon et provoque la fermeture du steam trap (dans ce cas un type à flotteur). Le purgeur est temporairement « verrouillé par la vapeur ». La perte thermique du cylindre entraînera la formation de plus de condensat qui, par conséquent, ne pourra pas atteindre le purgeur. La figure 11.5.2 (iii) montre le cylindre devenant de plus en plus inondé ce qui entraînera un taux de séchage réduit du cylindre et une augmentation de la puissance nécessaire pour faire tourner le cylindre. Dans les cas extrêmes, le cylindre peut se remplir jusqu’à l’axe central et des dommages peuvent alors résulter d’une surcharge mécanique. Pour résoudre ce problème, un purgeur avec une vanne de « libération du verrouillage par vapeur » est nécessaire. Il s’agit d’une vanne à aiguille interne qui permet à la vapeur emprisonnée dans le tuyau de siphon d’être purgée au-delà de la vanne principale. Le purgeur à flotteur est le seul type de purgeur doté de cette fonctionnalité et est le choix correct sur les machines rotatives comme les cylindres de séchage. Parce que la vanne à aiguille est juste assez ouverte pour éviter le gaspillage de vapeur, elle a une capacité limitée de purge d’air. Les purgeurs de ce type sont souvent dotés de purgeurs d’air combinés et de libération du verrouillage par vapeur (figure 11.5.3). Le mécanisme de libération du verrouillage par vapeur à commande manuelle fonctionne indépendamment de l’action de purge d’air automatique. Un steam trap flotteur-thermostatique standard est montré dans la figure 11.5.4. Les autres types de purgeurs s’ouvriront et finiront par gérer un verrouillage par vapeur, cependant, le drainage et les performances de l’équipement seront irréguliers. C’est clairement inacceptable pour les utilisateurs d’équipements de procédé où les temps de lot, la qualité et l’efficacité sont d’une grande importance. Purge groupée

La purge groupée décrit l’utilisation d’un purgeur servant plus d’une application. La figure 11.5.5 montre deux processus par lot (cuves à chemise) fonctionnant à deux pressions de vapeur différentes avec la ligne de drainage de chacune connectée à un seul steam trap. La pression plus élevée dans l’équipement B permettra au condensat de ce récipient de s’écouler mais empêchera le condensat d’être évacué de l’équipement A car la vanne de non-retour C sera maintenue fermée. L’équipement A se remplira d’eau et connaîtra une baisse sévère de performances. Pour cette raison, la purge groupée d’équipements fonctionnant à des pressions différentes n’est pas une bonne pratique. Mais que se passe-t-il si les équipements fonctionnent à la même pression ? Considérons l’installation suivante montrée dans la figure 11.5.6.

Dans la figure 11.5.6, le contenu de la cuve A est presque à température et condense relativement peu de vapeur. Les cuves B, C et D viennent d’être remplies de produit froid et, à mesure que la vapeur est mise en marche, leurs taux de condensation sont bien plus élevés que ceux de la cuve A. Par conséquent, la vitesse de vapeur le long de ces conduites d’alimentation est bien plus élevée, entraînant une chute de pression plus importante le long de chaque branche. Des pressions de vapeur plus basses existeront aux entrées des cuves de B, C et D et dans leurs chemises de vapeur (en raison de B, C et D ayant un taux de condensation plus élevé que la cuve A), réduisant leur capacité de chauffage et augmentant leurs temps de production. En raison de cela, les pressions aux sorties de drainage des cuves B, C et D sont également inférieures à celles de la cuve A. La vapeur s’écoulera de la cuve A via la ligne de drainage du condensat vers les autres cuves pour égaliser les pressions, et le condensat des autres cuves devra s’écouler contre ce flux de vapeur. Lorsque les points de drainage de différents récipients à des pressions différentes sont connectés à un seul purgeur, le récipient avec la pression la plus élevée (dans ce cas la cuve A) entravera l’écoulement du condensat des autres. Ceux qui ont le plus besoin d’évacuer le condensat (dans ce cas les cuves B, C et D) auront tendance à se remplir d’eau. D’où, l’arrangement de condensat montré dans la figure 11.5.6 est peu susceptible d’être satisfaisant. La situation peut être aggravée lorsque les processus à purge groupée ont un contrôle de température séparé. Une application possible adaptée à la purge groupée est un groupe de traitement d’air avec plusieurs sections de chauffage en série (figure 11.5.7). Cette application de type « écoulement » diffère du processus par lot (ou non-écoulement) de la figure 11.5.6. Les sections de chauffage partageront toujours tout changement de charge car elles sont servies par le même clapet de régulation. Il est important que les raccordements de drainage du condensat et la tuyauterie commune soient généreusement dimensionnés pour permettre un écoulement adéquat du condensat dans un sens contre l’écoulement de la vapeur dans l’autre. Cela ne fonctionnera que lorsque toutes les sections sont alimentées par un seul clapet de régulation et que le même fluide secondaire est chauffé par toutes les sections.

La raison originale de la purge groupée était qu’il n’existait autrefois qu’un seul type de steam trap. C’était le précurseur du purgeur à seau actuel, et était très grand et coûteux. Les steam traps d’aujourd’hui sont considérablement plus petits et rentables, permettant à chaque échangeur de chaleur d’être correctement drainé. Il est toujours préférable que les équipements utilisant la vapeur soient purgés individuellement plutôt que de manière groupée. Dans de nombreux cas, il peut être nécessaire d’utiliser une pompe-trap sur les équipements à température contrôlée, pour éliminer correctement le condensat. Diffuseurs

Avec les steam traps drainant vers l’atmosphère à partir de tuyaux ouverts, il est possible de voir la décharge de condensat chaud. Une certaine quantité de flash steam sera également présente par rapport à la pression du condensat avant le purgeur. Cela peut présenter un danger pour les passants, mais les risques peuvent être minimisés en réduisant la gravité de la décharge. Cela peut être réalisé en installant un simple diffuseur (figure 11.5.8) à l’extrémité du tuyau (figure 11.5.9) qui réduit la violence de la décharge et le bruit. Typiquement, les niveaux sonores peuvent être réduits jusqu’à 80 %.

Exigences spéciales

Drainage sous vide

L’élimination du condensat d’un espace vapeur fonctionnant sous vide peut être problématique. Si un steam trap est utilisé, sa sortie doit être connectée à une source de vide plus important que celui de l’espace vapeur pour assurer une différence de pression constante à travers l’orifice pour évacuer le condensat. Lorsque cela n’est pas possible, une pompe à pression peut être utilisée pour drainer le condensat de l’équipement (figures 11.5.10 et 11.5.11). Une vanne de non-retour à siège souple est recommandée sur la sortie de la pompe lorsque peu ou pas de surélévation est présente, et une coupure d’air agira comme un dispositif anti-siphonnage lors du drainage vers un point en dessous de la pompe. La pression atmosphérique peut être utilisée comme force motrice lors du drainage en dessous de la pompe (figure 11.5.11), mais la vanne de non-retour de sortie doit être positionnée dans une boucle de scellement en dessous de la pompe pour induire une hauteur d’ouverture minimale (dépendant du type de vanne de non-retour) et un joint hydraulique. Si la pompe draine le condensat d’un système de gaz sous vide, alors de l’air comprimé ou un gaz inerte peut être utilisé comme force motrice pour entraîner la pompe. Drainage des steam traps pour les processus à température contrôlée Le steam trap est une vanne automatique qui se fie à la dynamique du système pour fournir l’écoulement. Il doit se fier aux facteurs externes et y réagir, tels que la pression de vapeur ou la pression de hauteur statique côté entrée du purgeur. La pression de sortie doit être inférieure à la pression d’entrée pour fournir l’écoulement dans la direction correcte. Le débit à travers tout steam trap est donc lié à la différence de pression à travers celui-ci. Il est également possible d’avoir des différences de pression négatives à travers le purgeur, ce qui favoriserait un écoulement inverse à travers celui-ci. Lorsque des purgeurs sont installés pour faire passer le condensat dans des lignes de retour communes, il est conseillé d’installer des vannes de non-retour après chaque purgeur pour empêcher l’écoulement inverse dans des conditions de pression négative. L’occurrence de différences de pression nulles et négatives à travers les steam traps est courante. Les effets sont couramment observés avec les processus à température contrôlée, c’est-à-dire batteries de chauffage, accumulateurs de chaleur, cuves à chemise, échangeurs de chaleur à plaques, en fait tout processus ayant un clapet de régulation sur l’alimentation en vapeur. Cela peut se produire indépendamment de la pression d’alimentation en vapeur, et dépend entièrement de la pression du système de condensat et de la pression de vapeur dans l’échangeur de chaleur. Le terme « stall » décrit cette condition. Chaque fois qu’il est prédit ou diagnostiqué, une autre solution, telle qu’une pompe-trap, est nécessaire pour éliminer le condensat de l’échangeur de chaleur. Le phénomène est discuté plus en détail dans le Bloc 13 - « Élimination du condensat ».