Échangeurs de chaleur et systèmes de traçage vapeur : des pratiques éprouvées pour les ingénieurs d’études

Échangeurs de chaleur et systèmes de traçage vapeur : des pratiques éprouvées pour les ingénieurs d’études

Alex Chu, spécialiste des réseaux de vapeur industriels, ingénierie de terrain, Swagelok

Pour concevoir correctement un échangeur de chaleur ou un système de traçage vapeur, il faut d’abord avoir une vision précise de l’environnement dans lequel celui-ci va fonctionner. La non-prise en compte par l’ingénieur de toutes les caractéristiques du réseau de vapeur est souvent à l’origine de l’inefficacité de ces dispositifs. Il est nécessaire d’examiner en détail les paramètres d’exploitation et la documentation du réseau de vapeur. Une mauvaise connaissance de l’environnement de l’application entraîne souvent un contrôle insuffisant des composants ou le choix de composants inadaptés.

Problèmes couramment rencontrés dans la conception des systèmes et le choix des produits

Des principes de base doivent être observés lors de la conception afin d’éviter une défaillance prématurée ou une performance moindre des systèmes vapeur. Les experts de Swagelok, qui ont examiné de nombreux dispositifs de transfert de chaleur industriels dans des lieux et des secteurs d’activité divers, ont constaté que la plupart des problèmes courants avaient pour origine le choix de composants inadaptés ou de mauvaises pratiques de montage. Les problèmes rencontrés sont notamment les suivants :

• Un produit fini d’une qualité inacceptable
• La défaillance prématurée des composants
• Une mauvaise régulation de la température
• Des transferts de chaleur déficients
• Des coups de bélier
• L’encrassement du matériel de transfert thermique
• Le non-respect des codes et des normes

Les meilleures pratiques pour concevoir des systèmes vapeur

En suivant quelques conseils simples et des techniques qui ont fait leurs preuves sur le terrain, vous pourrez éviter les problèmes courants associés à la conception d’un système vapeur industriel. Les meilleures pratiques énumérées dans cet article doivent être examinées et mises en œuvre dans le programme de conception, de maintenance et de spécification du réseau de vapeur de votre installation, avant de choisir des composants pour votre prochain échangeur de chaleur ou système de traçage.

1. Éliminer l’accumulation et l’entraînement de condensats dans la ligne d’alimentation en vapeur

Une vanne de contrôle permet de réguler le débit de vapeur entre 0 et 100 % du débit maximum. Dans les situations où les débits sont faibles voire nuls, la condensation peut s’accumuler en amont de la vanne de contrôle. Cette accumulation peut provoquer des coups de bélier. Par ailleurs, des condensats qui traversent la vanne de contrôle peuvent entraîner une défaillance prématurée de la vanne.

Plusieurs méthodes permettent d’éliminer l’accumulation de condensats. Parmi celles-ci, on peut citer l’installation d’un point de purge en amont de la vanne, l’amélioration de l’isolation, le calibrage approprié de la ligne de vapeur ou l’installation d’un séparateur d’eau en amont de la vanne. Ces méthodes permettent soit d’éviter que la vapeur ne se condense, soit de détourner les condensats de la vanne de contrôle pour les évacuer au moyen d’un purgeur de vapeur.

2. Suivez les consignes relatives aux taux de variation du débit des vannes de contrôle

Les composants de systèmes de transfert thermique nécessitent des vannes de contrôle soigneusement dimensionnées pour assurer une régulation efficace de la température du process et prolonger la durée de vie du siège. Un facteur déterminant dans le choix des vannes de contrôle est le taux de variation du débit et la plage de fonctionnement de la vanne.

Toutes les vannes ont du mal à réguler certains débits, en particulier aux deux extrémités de la course de la tige, en raison des tolérances sur les joints et de la linéarité de l’écoulement.

Des conseils portant sur les taux de variation du débit des vannes de contrôle sont donnés ci-dessous :

• Vanne de régulation à cage : la meilleure régulation est obtenue avec un taux de variation du débit de 40:1.
• Vanne de régulation à soupape : taux de variation du débit de 30:1.
• Vanne de régulation : taux de variation du débit de 20:1.

Une vanne de contrôle mal dimensionnée peut entraîner une mauvaise régulation de la température, provoquer une usure prématurée des sièges et produire un bruit excessif.

3. Installer des manomètres avant et après la vanne de contrôle

Les manomètres fournissent les informations nécessaires pour connaître les conditions qui règnent à l’intérieur du système. Il est conseillé d’installer un manomètre avant et après une vanne de contrôle et sur le collecteur de retour des condensats après le purgeur de vapeur. Ces données donnent une indication précise de la pression de la vapeur qui traverse l’échangeur de chaleur. Tous les manomètres doivent en outre être installés avec un siphon en serpentin pour éviter d’être endommagés par des températures élevées et avec deux vannes d’arrêt pour isoler le manomètre lors d’opérations de maintenance.

4. Installer des vannes casse-vides

Tout système à vapeur pouvant être isolé de l’alimentation en vapeur et qui n’est pas ouvert à l’air libre doit être équipé de vannes casse-vides. Cela inclut notamment les lignes de vapeur, les chaudières et les échangeurs de chaleur à plaques ou à calandre. En se refroidissant, la vapeur se condense dans l’équipement concerné. Comme le volume occupé par le condensat peut être jusqu’à 1700 fois inférieur au volume que celui-ci occupait auparavant en phase gazeuse, un vide se crée du fait de la condensation.

Les vannes casse-vides protègent un système à vapeur contre le risque d’implosion en empêchant qu’un vide ne se crée lorsque ce système est mis à l’arrêt. Il est généralement conseillé d’installer sur tous les équipements concernés un évent et une vanne casse-vide aux endroits désignés par le fabricant.

5. Installer des évents automatiques

De l’air pénètre à l’intérieur des systèmes à vapeur lorsque ceux-ci sont mis à l’arrêt et subissent des opérations de maintenance. Cet air doit être purgé avant que le système ne puisse redémarrer. La présence d’air dans un échangeur thermique à vapeur a plusieurs effets néfastes sur le transfert de chaleur et a souvent pour conséquence de ralentir le démarrage. Cet air peut former de fines couches isolantes sur les surfaces au niveau desquelles se font les échanges de chaleur, ce qui nuit à l'efficacité du dispositif. Une simple pellicule d’air de 2,5 centièmes de millimètre a le même pouvoir isolant que 33 cm de cuivre ou 7,6 cm de fonte.

Il ne faut pas compter sur des purgeurs de vapeur pour évacuer l’air emprisonné, car ceux-ci sont situés au point le plus bas du système, alors l’air chaud a tendance à s’accumuler au point le plus haut. Les évents automatiques sont l’un des moyens les plus efficaces pour chasser l’air d’un système à vapeur. Un évent monté à l’extrémité d’une conduite de vapeur principale, ou installé au point le plus haut d’un équipement en association avec une vanne casse-vide, s’ouvrira en présence d’air.

6. Éviter les contre-pressions dans les échangeurs de chaleur

Dans un échangeur thermique à vapeur, les condensats sont évacués sous l’effet de la gravité ou d’une différence de pression. L’échangeur de chaleur doit autant que possible être installé de manière à favoriser un écoulement par gravité en évitant d’avoir une section verticale montante avant ou après les purgeurs. Ce point est crucial dans toute application où le débit de vapeur est régulé par une vanne de contrôle. Certaines applications ne permettent pas d’évacuer les condensats par gravité. Dans ces situations, il faut s’assurer qu’aucune contre-pression excessive ne s’exerce sur les purgeurs de vapeur ou les vannes de contrôle. Une contre-pression imprévue exercée sur les dispositifs d’évacuation provoque une accumulation des condensats et pourront entraîner des défaillances prématurées ainsi que des problèmes de performance. Cela se manifestera par des coups de bélier, une régulation de la température déficiente, une efficacité moindre et des problèmes de corrosion.

7. Bloquer la vapeur surchauffée

Un système classique de chauffage à vapeur nécessite une alimentation en vapeur saturée de qualité supérieure. Ce niveau de qualité correspond à une vapeur qui ne contient pas la moindre gouttelette de condensation. Une vapeur surchauffée – c’est-à-dire chauffée à une température supérieure à son point de saturation – ne doit pas entrer dans le circuit du dispositif de transfert thermique. La vapeur surchauffée contient moins d’énergie par unité de volume que la vapeur saturée et peut entraîner des problèmes d’efficacité si elle n’a pas été prise en compte lors de la conception du système. Il est possible de remédier au problème en installant un désurchauffeur.

8. Verrouiller les vannes à boisseau sphérique

Les vannes à boisseau sphérique constituent une solution sûre, fiable et économique pour isoler un système vapeur de manière étanche. La poignée de ces vannes permet de voir immédiatement si le système est isolé ou non. Les vannes deux pouces ou plus petites sont proposées avec des poignées verrouillables permettant un verrouillage et un étiquetage conformes aux meilleures pratiques de sécurité. N’oubliez pas de vérifier auprès de votre service de sécurité et d’inspection que votre système vapeur respecte la réglementation du site ou toute réglementation locale concernant les procédures de verrouillage ou d’étiquetage.

9. Choisir et dimensionner correctement les purgeurs de vapeur

Il existe de nombreux modèles de purgeurs de vapeur mécaniques. Ces différents modèles répondent aux besoins d’applications différentes et certains sont plus fiables que d’autres. Pour un échangeur de chaleur à vapeur, un purgeur de vapeur mécanique sera mieux adapté pour réguler le débit. Pour un système de traçage vapeur, plusieurs types de purgeurs peuvent convenir en fonction des besoins de l’application.

D’autres points doivent être pris en compte dans ce choix – dimensionnement en fonction des débits maximum et minimum, conditions d’amorçage, évacuation de l’air, tests fonctionnels, options de montage. Swagelok conseille d’utiliser des supports universels pour les purgeurs de petite taille afin de faciliter leur entretien et leur remplacement.

La capacité à pouvoir tester le bon fonctionnement des purgeurs de vapeur sans matériel spécial est un avantage, en particulier sur un système de collecte en boucle fermée. Ceci peut se faire en installant une dérivation en aval, qui permettra de vérifier facilement et rapidement que le condensat est évacué.

10. Installer un tamis filtrant pour empêcher les contaminations

Les contaminations peuvent devenir courantes dans une ligne de vapeur du fait de la corrosion et de ses sous-produits. Les contaminants peuvent alors se loger dans le mécanisme des vannes de régulation, les sièges des vannes d’isolement et les sièges des purgeurs de vapeur, provoquant ainsi la défaillance prématurée ou l’encrassement de ces composants. Un tamis agira comme un filtre en empêchant des corps étrangers de pénétrer dans le système vapeur.

Le tamis filtrant doit toujours être associé à une vanne d’extraction verrouillable et la ligne d’évacuation doit être dirigée vers un endroit sûr. Assurez-vous d’installer la section filtrante du tamis en position horizontale pour éviter que les condensats ne s’accumulent dans le corps du tamis filtrant.

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