Conception d'échangeurs de chaleur à vapeur et systèmes de traçage : directives d'experts pour ingénieurs

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

Alex Chu, Expert en systèmes vapeur industriels, Ingénierie terrain Swagelok

Concevoir un bon échangeur de chaleur à vapeur ou un système de traçage à vapeur nécessite d'abord une compréhension complète des caractéristiques opérationnelles où le système fonctionnera. Une performance inadéquate est le plus souvent attribuée à l'échec de l'ingénieur de conception à considérer toutes les caractéristiques du système vapeur. Une revue approfondie doit être menée sur les paramètres d'exploitation et la documentation du système vapeur. Ne pas comprendre le contexte de l'application résulte souvent en une sélection ou un contrôle inapproprié des composants du système.

Problèmes courants de conception et de sélection de produits

Les fondamentaux de base doivent être considérés lors de la conception d'un système vapeur industriel pour éviter la défaillance prématurée ou la sous-performance. Les experts de Swagelok ont examiné de nombreuses applications de transfert de chaleur industriel dans divers endroits et industries et ont trouvé que les problèmes les plus courants sont causés soit par une sélection incorrecte de composants, soit par des pratiques d'installation inappropriées. Exemples de problèmes :

• Qualité de produit final inacceptable
• Défaillance prématurée des composants
• Mauvais contrôle de température
• Transfert de chaleur inadéquat
• Coup de bélier
• Encrasseur de l'équipement de transfert de chaleur
• Violations de codes et normes

Meilleures pratiques pour la conception de systèmes vapeur

Suivre quelques directives simples et techniques de terrain éprouvées peut vous aider à éviter les problèmes courants associés à la conception d'un système vapeur industriel. Les meilleures pratiques suivantes listées tout au long de cet article devraient être revues et implémentées dans le programme de conception, maintenance et spécification du système vapeur de votre installation avant de sélectionner vos prochains composants d'échangeur de chaleur et de traçage à vapeur.

1. Éliminer l'accumulation et l'entraînement de condensat dans l'alimentation en vapeur

Une vanne de contrôle de vapeur est conçue pour moduler le débit de vapeur entre 0 et 100 %. À des scénarios de faible ou nul débit, le condensat peut s'accumuler avant l'entrée de la vanne de contrôle. L'accumulation de condensat avant la vanne peut causer un coup de bélier. De plus, tout condensat passant à travers la vanne de contrôle de vapeur peut causer une défaillance prématurée de la vanne de contrôle.

Vous pouvez éliminer l'accumulation de condensat de plusieurs façons. L'installation d'un pot de purge avant la vanne, l'amélioration de l'isolation, le bon nivellement de la ligne de vapeur, ou l'installation d'un séparateur de vapeur avant la vanne ne sont que quelques-unes des méthodes. Ces méthodes empêchent soit la condensation en premier lieu, soit permettent au condensat d'être détourné loin de la vanne de contrôle pour être évacué avec l'aide d'un purgeur de vapeur.

2. Respecter les directives de ratio de turndown pour les vannes de contrôle

Les composants de transfert de chaleur nécessitent des vannes de contrôle correctement dimensionnées pour un contrôle efficace de la température de process et une durée de vie du siège. Un facteur primaire dans la sélection des vannes de contrôle est la capacité de turndown, la gamme de régulation ou la plage de fonctionnement de la vanne.

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

Voici quelques directives de ratio de turndown pour les vannes de contrôle :

• Vanne à cage = ratio de turndown 40:1 fournit le plus haut degré de contrôlabilité.
• Vanne de contrôle à globe = ratio de turndown 30:1.
• Vanne de régulation = ratio de turndown 20:1.

Des vannes de contrôle mal dimensionnées peuvent mener à un mauvais contrôle de la température de process, une usure prématurée des sièges de vanne et un bruit excessif.

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

Les manomètres fournissent l'information nécessaire pour comprendre les conditions à l'intérieur du système. C'est une bonne pratique d'installer un manomètre avant et après une vanne de contrôle et sur le bras de retour de condensat après le purgeur de vapeur. Cela fournit des données précises pour aider à comprendre les caractéristiques de pression de la vapeur passant à travers l'échangeur de chaleur à vapeur. De plus, tous les manomètres devraient être installés avec un siphon en spirale (queue de cochon) pour prévenir les dommages de haute température et des vannes d'isolement à double bloc pour permettre la maintenance.

4. Installer des briseurs de vide

Tout système vapeur qui peut être isolé de l'alimentation en vapeur et n'est pas ouvert à l'atmosphère doit installer des briseurs de vide. Cela inclut des équipements tels que les lignes de vapeur, marmites, échangeurs de chaleur à plaques ou à tube et calandre. Quand la vapeur refroidit à l'intérieur de l'équipement, elle se condense. Puisque le condensat ne peut occuper que 1/1700e du volume total de sa masse comparé à la phase gazeuse, un vide se formera.

Les briseurs de vide protègent les systèmes vapeur de l'implosion lors d'un arrêt en prévenant l'occurrence de vide. Il est généralement recommandé que tout équipement vapeur ait un évent d'air et un briseur de vide installés aux points désignés par le fabricant de l'équipement.

5. Installer des évents d'air automatiques

Pendant les arrêts et la maintenance, l'air pénètre dans les systèmes vapeur. L'air doit être purgé avant que le système ne 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 des 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 entravant le transfert de chaleur. Un film d'air d'un millième de pouce d'épaisseur a le même effet que 13 pouces de cuivre ou 3 pouces de fonte.

Les purgeurs de vapeur ne devraient pas être comptés pour évacuer l'air car ils sont situés au point le plus bas du système et l'air chaud tend, au contraire, à être piégé au point le plus haut. Les évents d'air automatiques sont l'un des moyens les plus efficaces pour éliminer l'air dans un système vapeur. Un évent d'air monté au bout d'une ligne principale de vapeur, ou au point le plus haut d'un équipement en conjonction avec un briseur de vide, s'ouvrira quand de l'air est présent.

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

Lors de la conception d'équipement de transfert de chaleur pour votre système vapeur, le drainage du condensat est accompli soit par gravité, soit par une différentielle de pression. Si possible, l'équipement de transfert de chaleur devrait être installé pour favoriser le drainage gravitationnel sans élévation verticale avant ou après les purgeurs de vapeur. C'est crucial dans toute application qui a une vanne de contrôle de vapeur modulant. Certaines applications ne permettent pas le drainage gravitationnel, et dans ces cas, il faut veiller à ce qu'aucune contre-pression indue ne soit placée sur les dispositifs de drainage de condensat comme les purgeurs de vapeur ou les vannes de contrôle. Des défaillances prématurées et des problèmes de performance peuvent survenir en raison de contre-pression non anticipée sur les dispositifs de drainage, ce qui cause l'accumulation de condensat dans l'équipement. Cela résultera en coup de bélier, contrôle de température inadéquat, efficacité réduite et problèmes de corrosion.

7. Prévenir la vapeur surchauffée

Les applications typiques de chauffage à la vapeur requièrent une alimentation en vapeur saturée à 100 % de qualité. Ce niveau de qualité fait référence à de la vapeur ne contenant pas de gouttelettes de condensat entraînées dans la vapeur. La vapeur surchauffée, ou vapeur à une température supérieure à son point de saturation, devrait 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 anticipée dans la conception originale du système vapeur. L'alimentation en vapeur surchauffée peut être conditionnée en installant un désurchauffeur.

8. Verrouiller les vannes à bille

Les vannes à bille peuvent fournir une solution sûre, fiable et rentable pour l'isolement étanche dans un système vapeur. Les vannes à bille permettent une identification rapide de l'état d'isolement par l'orientation de leur poignée. Les vannes à bille de deux pouces ou moins peuvent être achetées avec des poignées de verrouillage, fournissant la meilleure pratique de sécurité pour un verrouillage ou étiquetage. Assurez-vous de vérifier avec votre département de sécurité et d'inspection pour garantir la conformité avec toute réglementation de site ou locale concernant les procédures de verrouillage ou étiquetage dans votre système vapeur.

9. Sélection et dimensionnement corrects des purgeurs de vapeur

Il existe de nombreux designs mécaniques différents pour les purgeurs de vapeur. Différents designs s'adaptent à différentes applications et certains 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 un débit modulant. Pour le traçage à vapeur, une variété de types de purgeurs de vapeur peut être sélectionnée selon les besoins de l'application.

D'autres considérations pour la sélection du purgeur de vapeur sont le dimensionnement basé sur le débit maximum et minimum, les exigences d'amorçage, d'évacuation d'air, de test fonctionnel et d'options de montage. Swagelok recommande d'utiliser des montages universels pour les purgeurs de vapeur plus petits pour permettre une facilité de maintenance et de remplacement.

La capacité de tester les purgeurs de vapeur sans équipement spécial est bénéfique, surtout sur un système de retour en boucle fermée. Cela peut être réalisé en installant un bypass en aval pour qu'une vérification visuelle du déchargement de condensat puisse être effectuée facilement et rapidement.

10. Installer un filtre pour prévenir la contamination étrangère

La contamination peut devenir prévalente dans une ligne de vapeur due à la corrosion et ses sous-produits. Les contaminants peuvent se loger dans les garnitures de vanne de contrôle, les sièges de vanne d'isolement, et les sièges de purgeur de vapeur — causant défaillance prématurée ou encrassement de ces composants. Un filtre agira comme un filtre, prévenant l'entrée de matériaux étrangers dans le système vapeur.

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

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