Échangeurs de chaleur à vapeur et systèmes de traçage :meilleures pratiques pour les ingénieurs concepteurs

Échangeurs de chaleur à vapeur et systèmes de traçage :meilleures pratiques pour les ingénieurs concepteurs

Alex Chu, PME spécialisée dans les systèmes de vapeur industriels, Swagelok Field Engineering

La conception d'un échangeur de chaleur à vapeur ou d'un système de traçage thermique à vapeur approprié nécessite d'abord une compréhension complète des caractéristiques opérationnelles là où le système fonctionnera. Les performances inadéquates sont le plus souvent attribuées au fait qu'un ingénieur de conception n'a pas pris en compte toutes les caractéristiques du système de vapeur. Un examen approfondi des paramètres de fonctionnement et de la documentation du système de vapeur doit être effectué. Le fait de ne pas comprendre le contexte de l'application entraîne généralement un contrôle ou une sélection inappropriés des composants du système.

Problèmes courants de conception et de sélection de produits

Les fondamentaux de base doivent être pris en compte lors de la conception d'un système de vapeur industriel pour éviter une défaillance prématurée ou une sous-performance. Les experts de Swagelok ont ​​passé en revue de nombreuses applications de transfert de chaleur industrielles dans divers endroits et industries et ont découvert que les problèmes les plus courants sont causés soit par une mauvaise sélection de composants, soit par de mauvaises pratiques d'installation. Exemples de problèmes :

• Qualité du produit final inacceptable
• Défaillance prématurée des composants
• Mauvais contrôle de la température
• Transfert de chaleur inadéquat
• Coup de bélier
• Encrassement de l'équipement de transfert de chaleur
• Non-respect du code et des normes

Meilleures pratiques pour la conception d'un système à vapeur

Suivre quelques directives simples et des techniques de terrain éprouvées peut vous aider à éviter les problèmes courants associés à la conception d'un système de vapeur industriel. Les meilleures pratiques suivantes répertoriées dans cet article doivent être examinées et mises en œuvre dans le programme de conception, de maintenance et de spécification du système de vapeur de votre installation avant de sélectionner votre prochain échangeur de chaleur à vapeur et les composants de traçage.

1. Éliminer l'accumulation et le transfert de condensat d'alimentation en vapeur

Une vanne de régulation de vapeur est conçue pour moduler le débit de vapeur entre 0 et 100 %. Dans des scénarios de débit faible ou nul, le condensat peut s'accumuler avant l'entrée de la vanne de régulation. L'accumulation de condensat devant la vanne peut provoquer un coup de bélier. De plus, tout condensat traversant la soupape de commande de vapeur peut provoquer une défaillance prématurée de la soupape de commande.

Vous pouvez éliminer l'accumulation de condensat de plusieurs façons. L'installation d'un tube d'égouttement avant la vanne, l'amélioration de l'isolation, le calibrage correct de la conduite de vapeur ou l'installation d'un séparateur de vapeur avant la vanne ne sont que quelques-unes des méthodes. Ces méthodes empêchent la condensation en premier lieu ou permettent au condensat d'être détourné de la vanne de régulation pour être évacué à l'aide d'un purgeur de vapeur.

2. Suivez les directives de rapport de variation pour les vannes de contrôle

Les composants de transfert de chaleur nécessitent des vannes de régulation correctement dimensionnées pour un contrôle efficace de la température du procédé et de la durée de vie du siège. Un facteur primordial dans le choix des vannes de régulation est la capacité de réglage, la capacité de réglage ou la plage de fonctionnement de la vanne.

Toutes les vannes auront une certaine quantité de débit incontrôlable, en particulier aux plages extrêmes de la course de la vanne en raison des tolérances d'étanchéité et de la linéarité du débit.

Voici quelques directives relatives au rapport de variation pour les vannes de régulation :

• Contrôle de la cage =rapport de variation de 40:1 offrant le plus haut degré de contrôlabilité.
• Soupape de commande à globe =taux de variation de 30:1.
• Vanne de régulation =rapport de variation de 20:1.

Des vannes de régulation mal dimensionnées peuvent entraîner un mauvais contrôle de la température du procédé, une usure prématurée des sièges de vanne et un bruit excessif.

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

Les manomètres fournissent les informations nécessaires pour comprendre les conditions à l'intérieur du système. Il est recommandé d'installer un manomètre avant et après une vanne de régulation et sur la colonne de retour de condensat après le purgeur. Cela fournit des données précises pour aider à comprendre les caractéristiques de pression de la vapeur traversant l'échangeur de chaleur à vapeur. De plus, tous les manomètres doivent être installés avec un siphon à serpentin (queue de cochon) pour éviter les dommages à haute température et des vannes d'isolement à double bloc pour permettre la maintenance.

4. Installer des casse-vide

Tout système de vapeur qui peut être isolé de l'alimentation en vapeur et qui n'est pas ouvert à l'atmosphère doit installer des casse-vide. Cela comprend les équipements tels que les conduites de vapeur, les bouilloires, les échangeurs de chaleur à plaques ou à coque et à tubes. Lorsque la vapeur refroidit à l'intérieur de l'équipement, elle se condense. Étant donné que le condensat ne peut occuper que jusqu'à 1/1700e du volume total de sa masse par rapport à la phase gazeuse, un vide se formera.

Les casse-vide protègent les systèmes de vapeur de l'implosion lorsqu'un système est arrêté en empêchant une occurrence de vide. Il est généralement recommandé que tous les équipements à vapeur soient équipés d'un évent et d'un casse-vide installés aux points désignés par le fabricant de l'équipement.

5. Installer des bouches d'aération automatiques

Pendant les arrêts et la maintenance, de l'air pénètre dans les systèmes de vapeur. L'air doit être purgé avant que le système puisse être remis en service. L'existence d'air dans un système d'échangeur de chaleur à vapeur a plusieurs effets néfastes sur le transfert de chaleur et est souvent la cause de démarrages lents. L'air dans le système peut former de fines couches limites sur les surfaces de transfert de chaleur, créant un effet isolant et gênant le transfert de chaleur. Un film d'air de seulement 1/1000e de pouce d'épaisseur a le même effet que 13 pouces de cuivre ou 3 pouces de fonte.

Les purgeurs de vapeur ne doivent pas être utilisés pour évacuer l'air car ils sont situés au point le plus bas du système et l'air chaud a plutôt tendance à être piégé au point le plus élevé. Les bouches d'aération automatiques sont l'un des moyens les plus efficaces d'éliminer l'air dans un système de vapeur. Un évent installé à l'extrémité d'une conduite de vapeur, ou au point le plus élevé d'un équipement en conjonction avec un casse-vide, s'ouvrira en présence d'air.

6. Éviter la contre-pression dans l'équipement de transfert de chaleur

Lors de la conception d'un équipement de transfert de chaleur pour votre système de vapeur, l'évacuation des condensats s'effectue soit par gravité, soit par différence de pression. Si possible, des équipements de transfert de chaleur doivent être installés pour favoriser le drainage gravitaire sans ascenseur vertical avant ou après les purgeurs de vapeur. Ceci est crucial dans toute application dotée d'une vanne de régulation de vapeur modulante. Certaines applications ne permettent pas le drainage gravitationnel, et dans ces cas, il faut veiller à ce qu'aucune contre-pression excessive ne soit placée sur les dispositifs de condensat tels que les purgeurs de vapeur ou les vannes de régulation. Des pannes prématurées et des problèmes de performances peuvent survenir en raison d'une contre-pression imprévue sur les dispositifs de vidange, ce qui provoque l'accumulation de condensat dans l'équipement. Cela entraînera des coups de bélier, un contrôle inadéquat de la température, une efficacité réduite et des problèmes de corrosion.

7. Empêcher la vapeur surchauffée

Les applications typiques de chauffage à la vapeur nécessitent une alimentation en vapeur saturée de qualité à 100 %. Ce niveau de qualité fait référence à une vapeur ne contenant pas de gouttelettes de condensat entraînées dans la vapeur. La vapeur surchauffée, ou la vapeur à une température supérieure à son point de saturation, doit être empêchée d'entrer dans le processus de transfert de chaleur. La vapeur surchauffée contient moins d'énergie par unité de volume que la vapeur saturée et peut causer des problèmes de performance si elle n'est pas prévue dans la conception originale du système de vapeur. L'alimentation en vapeur surchauffée peut être conditionnée en installant un désurchauffeur.

8. Vannes à bille de verrouillage

Les robinets à tournant sphérique peuvent fournir une solution sûre, fiable et économique pour l'isolation étanche dans un système de vapeur. Les vannes à bille permettent une identification rapide de l'état d'isolement grâce à l'orientation de la poignée. Les robinets à tournant sphérique de deux pouces ou moins peuvent être achetés avec des poignées de verrouillage, offrant la meilleure pratique de sécurité pour un verrouillage ou un étiquetage. Assurez-vous de vérifier auprès de votre service de sécurité et d'inspection pour vous assurer de la conformité avec les réglementations du site ou locales concernant les procédures de verrouillage ou d'étiquetage au sein de votre système de vapeur.

9. Sélection et dimensionnement corrects des purgeurs de vapeur

Il existe de nombreuses conceptions mécaniques différentes pour les purgeurs de vapeur. Différentes conceptions répondent à différentes applications et certaines sont plus fiables que d'autres. Pour les applications d'échangeur de chaleur à vapeur, un purgeur de vapeur de type mécanique sera le mieux adapté pour moduler le débit. Pour le traçage vapeur, divers types de purgeurs de vapeur peuvent être sélectionnés en fonction des besoins de l'application.

D'autres considérations pour la sélection des purgeurs de vapeur sont le dimensionnement basé sur le débit maximum et minimum, les exigences d'amorçage, la purge d'air, les tests fonctionnels et les options de montage. Swagelok recommande d'utiliser des supports universels pour les petits purgeurs de vapeur afin de faciliter la maintenance et le remplacement.

La possibilité de tester les purgeurs de vapeur sans équipement spécial est bénéfique, en particulier sur un système de retour en boucle fermée. Ceci peut être réalisé en installant une dérivation en aval afin qu'un contrôle visuel de l'évacuation des condensats puisse être effectué facilement et rapidement.

10. Installez une crépine pour éviter toute contamination étrangère

La contamination peut devenir courante dans une conduite de vapeur en raison de la corrosion et de ses sous-produits. Les contaminants peuvent se loger dans les garnitures des vannes de régulation, les sièges des vannes d'isolement et les sièges des purgeurs de vapeur, provoquant une défaillance prématurée ou l'encrassement de ces composants. Une crépine agira comme un filtre, empêchant tout corps étranger de pénétrer dans le système de vapeur.

Lors de l'installation de la crépine, installez toujours une vanne de purge avec un dispositif de verrouillage et ventilez la décharge de la vanne vers un endroit sûr. Assurez-vous d'installer le filtre avec la section de filtrage en position horizontale pour éviter l'accumulation de condensat dans le corps du filtre.

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