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Initiation Aux Réseaux Vapeur Ce cours a pour objet, après un rappel des propri

Initiation Aux Réseaux Vapeur Ce cours a pour objet, après un rappel des propriétés de la vapeur, une présentation synthétique des réseaux vapeur et des principaux équipements techniques. La plupart des illustrations sont extraites des publications des sociétés SPIRAX-SARCO, leader mondial des équipements vapeur et TROUVAY & CAUVIN fabricant de robinetterie industrielle. On pourra consulter les sites http://www.spirax-sarco.com et en particulier le site australien http://www.spirax- sarco.com.au sur lequel sont implantées les documentations techniques en ligne, ainsi que le site http://www.trouvay-cauvin.fr qui édite un magazine sur la vapeur d’eau. La vapeur d’eau est un fluide caloporteur utilisé universellement dans l’industrie (pétrochimie, chimie, agroalimentaire, bois, pneumatiques, blanchisseries ,…) et le chauffage urbain grâce à des propriétés thermo-physiques particulièrement adaptées aux transferts de chaleur. De plus grâce à une courbe de changement d’état liquide vapeur permettant d’atteindre des pressions élevées, pour des températures raisonnables, la vapeur d’eau est employée comme vecteur de production d’énergie électrique ou mécanique après surchauffe et détente dans des turbines. 1. PROPRIETES THERMOPHYSIQUES ET GLOSSAIRE DE LA VAPEUR D’EAU 11. VAPORISATION DE L’EAU A une température et pression fixées, si l’eau liquide et en équilibre avec sa vapeur, les deux fluides sont qualifiés de saturés. Sous la pression atmosphérique normale (101325Pa) et à 100°C (373,15K) l’enthalpie de l’eau saturée hf est de 419kJ/kg et l’enthalpie de vaporisation hfg (ou chaleur latente de vaporisation) nécessaire au changement d’état est de 2257kJ/kg. Il en résulte que l’enthalpie hg de la vapeur saturée vaudra hf + hfg, soit 2676kJ/kg. - Page 1- Sous 10bar de pression effective, la température de vaporisation s’élève à 184,13°C, l’enthalpie de l’eau saturée hf est de 781,6kJ/kg, l’enthalpie de vaporisation hfg est de 2000,1kJ/kg,et l’enthalpie hg de la vapeur saturée vaut 2781,7kJ/kg. 12 COURBES CARACTERISTIQUES La courbe de saturation de l’eau et son diagramme de MOLLIER permettent d’accéder à l’ensemble des valeurs caractéristiques, qui sont également disponibles sous forme de tables : On constate que lorsque la pression augmente :  L’enthalpie de l’eau saturée augmente.  L’enthalpie de vaporisation diminue.  L’enthalpie de la vapeur saturée augmente jusqu’à 33bar effectif puis diminue.  Le volume massique diminue fortement (environ divisé par 10 tous les 10bar). - Page 2- 13 QUALITES DE VAPEUR L’ébullition de l’eau liquide s’accompagne d’un phénomène de nucléation. A cause de la grande tension superficielle de l’eau, les bulles de vapeur qui se forment à la surface libre, éclatent et provoquent l’entraînement de particules d’eau liquide dans le flux de vapeur, qui est alors qualifiée de vapeur humide. Ces gouttelettes d’eau sont particulièrement néfastes aux installations, elles possèdent une énergie cinétique importante, étant véhiculées à la même vitesse que la vapeur (jusqu’à 30m/s). Elles arrachent des plaquettes de rouille dans les tuyauteries et provoquent un phénomène d’érosion par chocs dans les équipements. Si ces gouttelettes d’eau sont éliminées (par des séparateurs à déflecteurs) de la vapeur saturante, celle-ci est qualifiée de vapeur sèche assimilable à un gaz parfait. On peut également vaporiser cette humidité parasite pour obtenir de la vapeur surchauffée (enthalpie de surchauffe  2,09kJ/kg°C). La vapeur surchauffée n’est utilisée principalement que dans les turbines, en effet sa conductivité thermique est plus mauvaise que celle de la vapeur saturante sèche et donc elle est à proscrire dans les échangeurs :*  2,3 kW/m²°C < K échangeur vapeur sèche / eau < 2,9 W/m²°C  0,17 kW/m²°C< K échangeur vapeur surchauffée / eau < 0,23 kW/m²°C Si des échangeurs doivent être alimentés après une turbine, on désurchauffe la vapeur en injectant de l’eau liquide qui empruntera l’enthalpie de surchauffe pour se vaporiser : Au cours d’un échange thermique, la vapeur saturante sèche rétrocède l’enthalpie de vaporisation, en se condensant. Ces condensats sont produits à la même pression que celle de la vapeur en changement de phase, et s’ils sont détendus à la pression atmosphérique, ils produisent de la vapeur de revaporisation (flash stream), soit par exemple de 10 à 0bar effectifs : - Page 3- 2. LA BOUCLE VAPEUR ELEMENTAIRE La boucle vapeur comprend cinq zones fondamentales :  Production incluant la chaudière, en général équipée d’un brûleur fuel ou gaz, de soupapes de sécurité, d’une purge d’eau en continue pour déconcentrer l’installation en tartre, d’une alimentation en eau automatique pour maintien d’un niveau minimum et d’instruments de mesure en température et pression.  Distribution Vapeur composée d’une tuyauterie primaire alimentant le barillet qui joue le rôle de tampon pour maintenir une pression de distribution stable dans les lignes vapeur, équipées ou non de postes de détente.  Echange où la vapeur va se condenser en fournissant l’enthalpie de vaporisation à un fluide secondaire (eau, air, …). Les échangeurs peuvent éventuellement être équipés d’un pot de revaporisation, pour d’autres utilisations de la vapeur basse pression.  Collecte qui récupère les condensats sur tous les équipements des circuits de distribution et en sortie d’échangeurs. Ils sont renvoyés dans une bâche alimentaire, dont le niveau est maintenu constant. Une pompe à condensats (type OGDEN) utilisant la vapeur primaire comme énergie motrice, les relève dans la chaudière.  Traitement d’Eau qui assure la pérennité de la boucle vapeur, très sensible à la corrosion et à l’entartrage De très nombreux équipements supplémentaires (purgeurs, évents, filtres, vannes, détendeurs, séparateurs, contrôleurs, …) sont nécessaires pour assurer la qualité de vapeur distribuée, en pression et température, et évacuer l’air présent dans le réseau à la mise en service et les autres produits incondensables. - Page 4- 3. LA COLLECTE DES CONDENSATS Le rendement d’une installation vapeur sera fortement conditionné par la collecte des condensats, qui repose principalement sur les différents purgeurs existants et sur quelques dispositions constructives de bon sens. 31 LES PURGEURS DE CONDENSATS Les technologies sont très nombreuses, et les fabricants les classent en quatre catégories :  Purgeurs mécaniques :basés sur des systèmes à flotteurs fermés ou ouverts.  Purgeurs thermostatiques : basés sur la dilatation de fluides ou de bilames métalliques.  Purgeurs thermo-dynamiques : ou l’évolution des pressions statiques et dynamiques des fluides sur un clapet permet ou non l’évacuation des condensats.  Purgeurs à impulsion : basés sur un système de piston à double effet. Avant de décrire succinctement ces technologies, il faut remarquer que tous ces équipements possèdent des sections d’écoulement très faibles, facilement obturables par les impuretés. Il est donc essentiel d’implanter un filtre à tamis en amont de tout purgeur. D’autre part chaque purgeur ne convient pas pour toutes les applications possibles (par exemple les purgeurs mécaniques et thermostatiques ne peuvent fonctionner avec de la vapeur surchauffée, certains sont capables d’évacuer l’air avant les condensats, etc.) et il faut donc se référer aux guides d’emploi des constructeurs. Purgeur mécanique à flotteur fermé, équipé d’un thermostat D pour l’évacuation de l’air et d’un trop plein F. Sensible aux coups de bélier et à la corrosion. Purgeur mécanique à flotteur inversé ouvert Fonctionnement par jets intermittents. Dégazage en C et évacuation des condensats en B. En cas d’arrivée de vapeur le flotteur A s’élève et ferme le clapet B. Nécessite un joint d’eau au fond du purgeur et un calorifugeage antigel. - Page 5- Purgeur thermostatique à dilatation de fluide Le soufflet contient un mélange alcoolisé dont le point d’ébullition est inférieur à celle de l’eau. Sensible aux coups de bélier et à la vapeur surchauffée Purgeur thermostatique à bilames Evacuation des condensats à une température inférieure à celle de la vapeur donc risque de noyage de l’élément en amont Purgeur thermo-dynamique Le condensat se revaporise partiellement dans le purgeur. Un disque libre C obture l’évacuation quand la pression statique de la chambre de contrôle diminue à cause des pertes thermiques. Au contraire il libère l’écoulement G sous l’effet de la pression dynamique des condensats. Purgeur à impulsion Ce purgeur n’est jamais étanche à la vapeur. C’est la vapeur de revaporisation du condensat qui régule le débit d’évacuation, en agissant sur le disque C circulant dans le cône D. 32 LES DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES Pour favoriser l’écoulement gravitaire des condensats, toutes les tuyauteries doivent présenter une pente de 5mm/ml vers la bâche de récupération. D’autre part les tuyauteries doivent être dimensionnées pour évacuer la vapeur de revaporisation, si elle n’est pas utilisée en sortie d’échangeur, à une vitesse de 20 à 25m/s. - Page 6- Les purgeurs de ligne ne doivent pas être raccordés par des conduites de faible section, les condensats à grande vitesse ne seraient pas correctement évacués. On utilise des tés de section identique à la ligne vapeur pour créer des pots de purge. 33 LE RELEVAGE DES CONDENSATS Il s’effectue de la bâche vers la chaudière, grâce à des pompes de type OGDEN où la vapeur primaire actionne un flotteur qui refoule les condensats au travers d’un clapet anti-retour. Une soupape de décharge libère cette vapeur primaire, et les condensats sont admis également au passage d’un claper d’admission. 4. LA DISTRIBUTION DE VAPEUR Le dimensionnement des conduites de distribution vapeur s’effectue selon les méthodes classiques à la vitesse imposée (15, 20, ou 30m/s) ou à la perte de charge imposée. Dans tous les cas, le calcul des pertes de charge uploads/Industriel/ vapeur.pdf