Éliminer l'air des systèmes de vapeur industrielle afin qu'il n'affecte pas les performances

Si l'air est mélangé à de la vapeur et s'écoule avec elle, des poches d'air se formeront sur les surfaces d'échange de chaleur où la vapeur se condense. Progressivement, une fine couche isolante se formera, empêchant le transfert de chaleur.

L'air est largement utilisé comme isolant car il est extrêmement mauvais conducteur de chaleur (par exemple, nous connaissons tous son utilisation pour réduire la perte de chaleur dans les fenêtres à double vitrage, c'est-à-dire deux vitres avec de l'air confiné entre elles). De même, l'air est utilisé pour réduire la perte de chaleur des tuyaux de vapeur. La plupart des isolants sont composés de millions de particules d'air microscopiques, au sein d'une matrice de fibre de verre, de laine minérale ou de matériau polymère. L'air est simplement l'isolant et le matériau solide le maintient en place. De même, un film d'air à la surface de transfert de chaleur empêche le flux de chaleur et réduit la capacité de transfert de chaleur. C'est pourquoi il est important d'éliminer l'air des systèmes de vapeur industriels.

Pourquoi la présence d'air dans les systèmes à vapeur est-elle un problème

La conductivité thermique de l'air est de 0,025 W/m °C, tandis que le chiffre correspondant à l'eau est de 0,6 W/m °C, celui du fer de 75 W/m °C et celui du cuivre de 390 W/m °C. Un film d'air de seulement 1 mm d'épaisseur produit la même résistance qu'une épaisseur de cuivre de 15 mètres.

Il est peu probable que l'air existe sous forme de film uniforme dans l'échangeur de chaleur. Il est plus probable que la concentration d'air dans la vapeur soit plus élevée près de la surface de condensation et diminue à mesure qu'on s'en éloigne. Quoi qu'il en soit, il est pratique de le traiter comme une couche homogène lors de la représentation de sa résistance à la transmission de chaleur.

Éliminer l'air des systèmes de vapeur industriels est l'un des casse-têtes des directeurs d'usine. Lorsqu'il y a de l'air dans la vapeur, la quantité de chaleur pour un volume donné du mélange est inférieure à celle du même volume de vapeur pure, par conséquent la température du mélange baisse. La loi de Dalton des pressions partielles stipule que dans un mélange de gaz et/ou de vapeurs, la pression totale du mélange gazeux est égale à la somme des pressions que chaque gaz exercerait s'il était seul.

Par exemple, si la pression totale du mélange vapeur/air à 2 bars (absolus) est composée de 3 parts de vapeur et 1 part d'air :

Pression partielle de l'air = 1⁄4 x 2 bar a = 0,5 bar a

Pression partielle de vapeur = 3⁄4 x 2 bar a = 1,5 bar a

Pression totale du mélange = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar r)

Le manomètre indiquera une pression de 1 bar r, indiquant à l'observateur une température correspondante de 120°C. Cependant, la pression partielle due à la quantité de vapeur dans le mélange n'est que de 0,5 bar r (1,5 bar abs), fournissant une température de seulement 111,6°C. Par conséquent, la présence d'air a un double effet :

1. Il offre une résistance au transfert de chaleur en raison de son effet de stratification,
2. Réduire la température de l'espace vapeur et donc réduire le gradient de température sur la surface de transfert de chaleur.

Si l'air n'est pas purgé du système à vapeur, l'effet général est une réduction du taux de transfert de chaleur qui peut être inférieur à celui requis par le processus et, dans le pire des cas, peut empêcher d'atteindre la température requise par le processus.

Dans de nombreux procédés, une température minimale est requise pour obtenir un changement chimique ou physique dans le produit, dans un stérilisateur il est essentiel d'atteindre une température minimale. La présence d'air nous désoriente dans la lecture du manomètre et la température ne pourra pas être déduite par la pression.

Ce qu'il faut prendre en compte lors de la purge d'air du système de vapeur

Lors de la mise en marche du système à vapeur, l'air est présent dans les tuyauteries d'alimentation en vapeur et dans l'équipement de vapeur lui-même. Même lorsque le système fonctionne à pleine vapeur, lors de l'arrêt, la vapeur en se condensant créera un vide et absorbera l'air dans les tuyauteries.

L'air peut également pénétrer dans le système dissous dans l'eau d'alimentation. À 80°C, l'eau peut dissoudre environ 0,6% de son volume d'air. La solubilité de l'oxygène est environ deux fois supérieure à celle de l'azote, de sorte que l‘’ air » dissous dans l'eau contient environ une partie d'oxygène pour deux d'azote au lieu d'une partie pour quatre parties dans l'air atmosphérique. Le dioxyde de carbone a une solubilité plus élevée, environ 30 fois supérieure à celle de l'oxygène.

L'eau d'alimentation de la chaudière et le condensat exposé à l'atmosphère peuvent absorber rapidement ces gaz. Lorsque l'eau est chauffée dans la chaudière, les gaz sont libérés avec la vapeur et entraînés dans le système de distribution. À moins que l'eau ‘ traitée ’ de la chaudière ne soit complètement déminéralisée et dégazée, elle contiendra du carbonate de sodium soluble, issu de l'échange chimique des processus de traitement de l'eau. Le carbonate de sodium peut se dissocier dans la chaudière et, à nouveau, du dioxyde de carbone est libéré.

Dans les chaudières à haute pression, l'eau d'alimentation passe souvent par un désaérateur avant d'être pompée dans la chaudière. Les meilleurs désaérateurs peuvent réduire les niveaux d'oxygène à 3 parties par million (ppm) dans l'eau. Cet oxygène résiduel peut être traité à l'aide d'un traitement chimique. Cependant, une telle quantité d'oxygène sera accompagnée d'environ 6 parties par million d'azote qui ne sera pas traité chimiquement. Si la chaudière est de taille moyenne, produit 10 000 kg de vapeur par heure et utilise environ 10 000 litres d'eau par heure, elle produira à son tour 60 cm3 d'azote. Celui-ci s'accumule et, avec le temps, affecte considérablement le transfert de chaleur s'il n'est pas éliminé du système. Même les meilleurs traitements physiques et chimiques permettent à certains gaz incondensables non traités d'être transportés avec la vapeur de la chaudière. L'air est plus présent dans les systèmes de vapeur qu'on ne le pense et peut avoir un effet majeur sur les performances et la corrosion des équipements.

Signes qu'il y a de l'air

L'air et les gaz incondensables sont des problèmes majeurs dans un système à vapeur. Tous deux peuvent causer des problèmes de production pour le fonctionnement et les performances d'un système à vapeur. Ne pas éliminer l'air et les gaz incondensables d'un système à vapeur peut réduire l'efficacité du transfert de chaleur de 21% ou plus, selon la concentration d'air dans le système à vapeur. Parce que l'air est l'un des meilleurs isolants, un objectif majeur de l'exploitation de la vapeur est l'élimination de l'air d'un système à vapeur.

Au problème s'ajoute le fait que les systèmes à vapeur ne sont généralement pas conçus pour évacuer l'air au démarrage ou pendant le fonctionnement. Lors de l'arrêt d'un système à vapeur ou de ses composants, le système se dépressurise et la vapeur se condense, réduisant son volume jusqu'à 1600 fois. Cette réduction de volume crée un vide dans le système de vapeur ou ses composants. L'air pénètre dans le système de vapeur par les composants de vapeur, tels que les évents d'air, les garnitures de soupape et les brides, et l'air entré remplit le vide. Lors de la mise sous tension d'un système à vapeur ou de composants de transfert de chaleur à la vapeur, l'un des premiers objectifs doit être d'évacuer l'air du système ou des composants à vapeur.

Les signes classiques qu'il est temps de purger l'air des systèmes de vapeur industriels sont :

• Une baisse progressive des performances des équipements chauffés à la vapeur.
• Bulles d'air dans le condensat.
• Corrosion.

L'élimination de l'air des systèmes de vapeur est impérative 

L'air réduit l'efficacité du transfert de chaleur

La libération d'énergie latente (changement d'état) pour la condensation sur les composants de vapeur se produit à la surface d'échange thermique, là où la chaleur est transférée en raison de la différence de température (vapeur vers le procédé). Le transfert du composant de vapeur consomme l'énergie latente et la vapeur se condense en liquide (condensat) ; le condensat est évacué par gravité, mais les gaz non condensables et l'air restent.

Les gaz non condensables forment un film stagnant sur les parois de la surface de transfert de chaleur, ce qui crée une résistance. L'énergie thermique transmise à travers la surface de transfert de chaleur doit passer par conduction à travers ces films résistants. Un film d'air ou de gaz non condensables d'une épaisseur d'un millième de pouce seulement a la résistance d'une paroi de fer de trois pouces.

L'énergie de chaleur latente de la vapeur doit passer de la zone de transfert de chaleur de la vapeur à la zone où le matériau du processus est chauffé. Pour ce faire, elle doit surmonter plusieurs obstacles :

• Une mince pellicule d'air/vapeur côté vapeur
• film condensé
• Accumulation d'oxyde ou de matière corrosive
• Mur métallique à transfert de chaleur
• Côté du produit : produit brûlé ou tartre
• Film de matière bloqué dans le côté procédé du mur

L'air réduit la température de la vapeur

La loi des pressions partielles de Dalton stipule que dans un mélange de gaz ou de vapeurs, la pression totale du mélange est constituée des pressions partielles exercées par chaque gaz ou vapeur. La pression partielle exercée par chacun est la fraction de la pression totale égale à la fraction du volume total de chacun.

La lecture de pression est en unités absolues. Par exemple, la pression totale d'un mélange de 25 % d'air et de gaz non condensables et de 75 % de vapeur est de 114,7 psia (337,87 °F).

La pression partielle de la vapeur est de 114,7 x 0,75 soit 86,02 psia (317 °F). La pression partielle de l'air est de 114,7 x 0,25 soit 28,56 psia. La température de la vapeur saturée à 114,7 psia est de 317 °F contre 337,87 °F pour une conduite de vapeur ou un composant de vapeur avec un mélange constitué de 25 % d'air et de gaz non condensables et 75 % de vapeur.

Il existe d'autres problèmes de système de vapeur avec la concentration d'air et de gaz non condensables. L'accumulation ou le volume d'air et de gaz non condensables dans la zone de transfert de chaleur n'est pas constant. L'épaisseur d'un film d'air stagnante peut varier en raison des vitesses, des chicanes, de la direction du flux, de la finition du métal et d'autres conceptions internes du transfert de chaleur. Ce facteur peut également entraîner des problèmes de chauffage inégal des produits.

Les plantes augmentent les pressions de vapeur pour surmonter les problèmes d'air et de gaz non condensables. À son tour, le coût plus élevé de production de pressions de vapeur plus élevées augmente le coût énergétique de la centrale.

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