Introduction - Pourquoi des steam traps ?

La fonction d’une steam trap est d’évacuer le condensat, l’air et les autres gaz non condensables d’un système vapeur tout en ne permettant pas l’échappement de vapeur vive. Ce tutoriel couvre la nécessité des steam traps, les considérations entourant leur fonctionnement, les modes opératoires fondamentaux et les normes applicables.

Tout au long de l’histoire de l’utilisation de la vapeur, Spirax Sarco a été à l’avant-garde de l’amélioration de l’efficacité des installations vapeur. Depuis 1935, la gamme de produits Spirax Sarco s’est considérablement élargie et est désormais spécifiée dans le monde entier sur de nombreux types d’installations utilisant la vapeur. Aujourd’hui, rares sont les processus de fabrication qui ne dépendent pas de la vapeur pour leur produit final.

La steam trap est un élément essentiel de tout système vapeur. Elle constitue le lien important entre une bonne gestion de la vapeur et du condensat, retenant la vapeur dans le processus pour une utilisation maximale de la chaleur, mais libérant le condensat et les gaz non condensables au moment opportun. Bien qu’il soit tentant d’examiner les steam traps de manière isolée, leur effet sur l’ensemble du système vapeur est souvent sous-estimé. Les questions suivantes revêtent une importance particulière.

Il est souvent vrai que si une steam trap inappropriée est sélectionnée pour une application particulière, aucun effet néfaste n’est constaté. Parfois, les steam traps sont même complètement fermées sans aucun problème apparent, par exemple sur une conduite principale de vapeur, où un drainage incomplet du condensat à partir d’un point de purge signifie souvent que le reste est simplement entraîné vers le suivant. Cela pourrait bien poser un problème si le point de purge suivant est bloqué ou a également été fermé !

L’ingénieur attentif pourra reconnaître que l’usure des vannes de régulation, les fuites et la baisse de rendement de l’installation peuvent tous être corrigés en accordant une attention appropriée au piégeage de la vapeur. Il est naturel pour tout mécanisme de subir une usure, et les steam traps ne font pas exception. Lorsque les steam traps tombent en panne en position ouverte, une certaine quantité de vapeur peut passer dans le système de condensat, bien que ce soit souvent une quantité plus faible que prévu. Heureusement, des moyens rapides de détection et de correction de ces pannes sont désormais disponibles pour les utilisateurs de vapeur.

La fonction d'une steam trap est d'évacuer le condensat tout en ne permettant pas l'échappement de vapeur vive

Aucun système vapeur nest complet sans ce composant crucial qu'est la 'steam trap (ou trap). C’est le lien le plus important dans la boucle de condensat car il relie l’utilisation de la vapeur au retour de condensat.

Une steam trap ‘purge’ littéralement le condensat (ainsi que l’air et les autres gaz non condensables) hors du système, permettant à la vapeur d’atteindre sa destination dans un état aussi sec que possible pour accomplir sa tâche de manière efficace et économique. La quantité de condensat quune steam trap doit traiter peut varier considérablement. Elle peut être amenée à évacuer le condensat à la température de la vapeur (c'est-à-dire dès sa formation dans l'espace vapeur) ou être tenue d'évacuer en dessous de la température de vapeur, cédant une partie de sa 'chaleur sensible dans le processus. Les pressions auxquelles les steam traps peuvent fonctionner peuvent aller du vide à bien plus d’une centaine de bar. Pour répondre à ces conditions variées, il existe de nombreux types différents, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients. L’expérience montre que les steam traps fonctionnent le plus efficacement lorsque leurs caractéristiques sont adaptées à celles de l’application. Il est impératif que la trap correcte soit sélectionnée pour remplir une fonction donnée dans des conditions données. À première vue, il peut ne pas être évident de savoir quelles sont ces conditions. Elles peuvent impliquer des variations de pression de service, de charge thermique ou de pression de condensat. Les steam traps peuvent être soumises à des températures extrêmes ou même au coup de bélier. Elles peuvent avoir besoin d’être résistantes à la corrosion ou à la saleté. Quelles que soient les conditions, une sélection correcte de la steam trap est importante pour l’efficacité du système. Il apparaîtra clairement qu’un type de steam trap ne peut pas être le choix correct pour toutes les applications.

Considérations pour la sélection des steam traps

Purge d’air Au ‘démarrage’, c’est-à-dire au début du processus, l’espace du réchauffeur est rempli d’air, qui, à moins d’être évacué, réduira le transfert de chaleur et augmentera le temps de chauffe. Les temps de démarrage augmentent et l’efficacité de l’installation diminue. Il est préférable de purger l’air aussi rapidement que possible avant qu’il n’ait la chance de se mélanger à la vapeur entrante. Si l’air et la vapeur sont mélangés, ils ne peuvent être séparés qu’en condensant la vapeur pour laisser l’air, qui doit alors être évacué vers un endroit sûr. Des purgeurs d’air séparés peuvent être nécessaires sur des espaces vapeur plus grands ou plus complexes, mais dans la plupart des cas, l’air du système est évacué à travers les steam traps. Les traps thermostatic ont ici un avantage net sur certains types de traps car elles sont entièrement ouvertes au démarrage. Les traps à flotteur avec purgeur d’air thermostatic intégré sont particulièrement utiles, tandis que de nombreuses traps thermodynamic sont également tout à fait capables de gérer des quantités modérées d’air. Cependant, le petit orifice des sorties de condensat à orifice fixe et le trou de purge des traps à seau inversé évacuent tous deux l’air lentement. Cela pourrait augmenter les temps de production, les temps de chauffe et la corrosion. Évacuation du condensat Après avoir purgé l’air, la trap doit alors laisser passer le condensat mais pas la vapeur. La fuite de vapeur à ce stade est inefficace et non économique. La steam trap doit permettre au condensat de passer tout en piégeant la vapeur dans le processus. Si un bon transfert de chaleur est essentiel pour le processus, alors le condensat doit être évacué immédiatement à la température de la vapeur. La submersion est l’une des principales causes d’inefficacité des installations vapeur résultant d’une sélection incorrecte de la steam trap. Performance de l’installation Lorsque les exigences fondamentales d’élimination de l’air et du condensat ont été prises en compte, l’attention peut se tourner vers la ‘performance de l’installation’. En termes simples, sauf s’il est spécifiquement conçu pour être submergé, pour qu’un échangeur de chaleur fonctionne à ses meilleures performances, l’espace vapeur doit être rempli de vapeur propre et sèche. Le type de steam trap influencera cela. Par exemple, les traps thermostatic retiennent le condensat jusqu’à ce qu’il refroidisse en dessous de la température de saturation. Si ce condensat reste dans l’espace vapeur, il réduira la surface de transfert de chaleur et la performance du réchauffeur. L’évacuation du condensat à la température la plus basse possible peut sembler très attrayante, mais en général, la plupart des applications nécessitent que le condensat soit éliminé de l’espace vapeur à la température de la vapeur. Cela nécessite une steam trap avec des propriétés de fonctionnement différentes du type thermostatic, et cela signifie généralement un type de trap mécanique ou thermodynamic. Avant de choisir une steam trap particulière, il est nécessaire de considérer les besoins du processus. Cela déterminera généralement le type de trap requis. La manière dont le processus est connecté au système vapeur et de condensat peut alors décider du type de trap préféré pour faire le meilleur travail dans les circonstances données. Une fois choisi, il est nécessaire de dimensionner la steam trap. Cela sera déterminé par les conditions du système et les paramètres de processus tels que :

• Pressions maximales de vapeur et de condensat.
• Pressions de service de vapeur et de condensat.
• Températures et débits.
• Si le processus est à régulation de température. Ces paramètres seront discutés plus en détail dans les modules suivants de ce bloc. Fiabilité Lexpérience a montré qu'un 'bon piégeage de vapeur est synonyme de fiabilité, c’est-à-dire des performances optimales avec un minimum d’attention. Les causes de non-fiabilité sont souvent associées aux éléments suivants :
• La corrosion, due à l’état du condensat. Cela peut être contré en utilisant des matériaux de construction particuliers et un bon conditionnement de l’eau d’alimentation.
• Le coup de bélier, souvent dû à une élévation après la steam trap, parfois négligé au stade de la conception et souvent la cause de dommages inutiles à des steam traps par ailleurs fiables.
• La saleté, accumulée à partir d’un système où le produit de traitement de l’eau est entraîné depuis la chaudière, ou où les débris de tuyauterie interfèrent avec le fonctionnement de la trap. La tâche principale d’une steam trap est l’élimination correcte du condensat et de l’air et cela nécessité une compréhension claire du fonctionnement des steam traps. Flash steam Un effet causé par le passage de condensat chaud d’un système haute pression à un système basse pression est le phénomène naturel de flash steam. Cela peut induire en erreur l’observateur sur l’état de la steam trap. Considérons l’enthalpie du condensat fraîchement formé à la pression et température de la vapeur (obtenable à partir des tables de vapeur). Par exemple, à une pression de 7 bar g, le condensat contiendra 721 kJ/kg à une température de 170,5°C. Si ce condensat est évacué à l’atmosphère, il ne peut exister qu’en tant qu’eau à 100°C, contenant 419 kJ/kg d’enthalpie de l’eau saturée. L’excédent d’enthalpie de 721 - 419, soit 302 kJ/kg, fera bouillir une proportion de l’eau, produisant une quantité de vapeur à la pression atmosphérique. La vapeur basse pression produite est généralement appelée ‘flash steam’. La quantité de ‘flash steam’ libérée peut être calculée comme suit : Si la trap évacuait 500 kg/h de condensat à 7 bar g vers l’atmosphère, la quantité de flash steam générée serait de 500 x 0,134 = 67 kg/h, équivalant à environ 38 kW de perte d’énergie ! Cela représente une quantité considérable d’énergie utile, qui est trop souvent perdue du bilan thermique de la boucle vapeur et condensat, et offre une simple opportunité d’améliorer l’efficacité du système si elle peut être capturée et utilisée.

Fonctionnement des steam traps

Il existe trois types fondamentaux de steam traps dans lesquels toutes les variations se classent, tous les trois étant définis par la norme internationale ISO 6704:1982. Types de steam traps :

• Thermostatic (commandée par les variations de température du fluide) La température de la vapeur saturée est déterminée par sa pression. Dans l’espace vapeur, la vapeur cède sonenthalpie d’évaporation (chaleur), produisant du condensat à la température de la vapeur. À la suite de toute perte de chaleur supplémentaire, la température du condensat baissera. Une trap thermostatic évacuera le condensat lorsque cette température inférieure est détectée. Lorsque la vapeur atteint la trap, la température augmente et la trap se ferme.
• Mécanique (commandée par les variations de densité du fluide) Cette gamme de steam traps fonctionne en détectant la différence de densité entre la vapeur et le condensat. Ces steam traps comprennent les ‘traps à flotteur’ et les ‘traps à seau inversé’. Dans la ‘trap à flotteur’, la boule monte en présence de condensat, ouvrant une vanne qui laisse passer le condensat plus dense. Avec la ‘trap à seau inversé’, le seau inversé flotte lorsque la vapeur atteint la trap et monte pour fermer la vanne. Les deux sont essentiellement ‘mécaniques’ dans leur méthode de fonctionnement.
• Thermodynamic (commandée par les dynamiques du fluide) Les steam traps thermodynamic reposent en partie sur la formation de flash steam à partir du condensat. Ce groupe comprend les traps ‘thermodynamic’, ‘à disque’, ‘à impulsion’ et ‘à labyrinthe’. Sont également inclus de manière large dans ce type les ‘traps à orifice fixe’, qui ne peuvent pas être clairement définies comme des dispositifs automatiques car elles sont simplement un orifice de diamètre fixe conçu pour laisser passer une quantité calculée de condensat dans un ensemble de conditions donné. Toutes reposent sur le fait que le condensat chaud, libéré sous pression dynamique, se vaporisera pour donner un mélange de vapeur et d’eau. Les modules suivants font référence à ces steam traps.

ISO 6552:1980

Glossaire des termes techniques pour les steam traps automatiques. **ISO 6553:2016

EN ISO 6553:2017**

Marquage des steam traps automatiques. ISO 6554:1980

Dimensions entre faces pour les steam traps automatiques à bride. EN 558:2017

Vannes industrielles. Dimensions entre faces et entre centre et face des vannes métalliques pour systèmes de tuyauterie à brides. Vannes désignées PN et Class.

(Bien que lISO 6554:1980 soit toujours en vigueur, en Europe, elle a été incorporée dans la norme générale pour vannes industrielles EN 558:2017, qui a une portée beaucoup plus large que l'ISO 6554:1980, et identifie les 'séries entre faces différemment de l’EN 26554:1991). **ISO 6704:1982

EN 26704:1991**

Classification des steam traps automatiques. ISO 5117 :2023

Tests de production et de caractéristiques de performance pour les steam traps automatiques.

(Remplace l’ISO 6948:1981, l’ISO 7841:1988 et l’ISO 7842:1988, fusionnant ainsi les Méthodes de détermination des pertes de vapeur et les Méthodes de détermination de la capacité d’évacuation des steam traps automatiques en tant qu’annexes au texte principal portant sur les Tests de production et de caractéristiques de performance pour les steam traps automatiques).