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Réseaux de vapeur
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 La vapeur d’eau est le fluide
thermique le plus utilisé dans l’industrie. Elle permet de véhiculer l’énergie
de combustion, de la chaudière aux stations d’utilisation. Cette énergie
transportée peut être transformée en énergie mécanique si une machine thermique
est impliquée ou directement utilisée sous forme d’énergie calorifique.
La vapeur peut être produite en
brûlant le combustible dans une chaudière ou en récupérant de l’énergie perdue
au niveau des procédés industriels. Elle peut être également récupérée comme un
sous produit en aval des turbines utilisées pour la production de l’énergie
électrique. Indépendamment de la source, la vapeur doit être distribuée
convenablement pour assurer une bonne performance énergétique. Cette vapeur doit
être disponible en quantité suffisante, à une pression et au moment adéquats et
dans de bonnes conditions. Dans la chaudière, la chaleur apportée par un
combustible qui brûle n’est pas totalement récupérée par le fluide que l’on veut
chauffer. On perd toujours une partie par différents mécanismes (pertes par les
fumées, les imbrûlés, les parois et les purges). De même, les systèmes de
distribution de la vapeur et de recyclage des condensats peuvent être le siège
de fuites et de pertes thermiques de natures diverse. Ces pertes affectent la
performance énergétique des installations thermiques.
D’autres fluides caloporteurs
ont été développés pour être substitués à la vapeur. On peut citer comme exemple
le cas de l’eau chaude produite pour être utilisée dans les systèmes de
chauffage. Cette alternative n’a d’intérêt que si les conditions d’utilisation
ne nécessitent pas des températures dépassant le point d’ébullition de l’eau.
Dans le cas où des températures élevées sont nécessaires, un système d’eau
surpressée (dont le coût est élevé) peut être envisagé. La circulation de
l’huile chaude peut être également utilisée pour véhiculer de la chaleur et la
restituer à des températures élevées. Toutefois, avec une chaleur spécifique
faible et un coefficient de transfert de chaleur réduit, l’huile est loin d’être
un fluide caloporteur idéal.
L’utilisation de la vapeur comme
fluide caloporteur offre les avantages suivant :
-
Avec une chaleur
latente élevée, la vapeur a la possibilité de véhiculer une grande quantité
d’énergie dans des conduites relativement petites. Ceci a un impact économique
certain. Ainsi l’utilisation d’un système de distribution de petie taille
réduit, d’une part l’investissement initial et, d’autre part, les frais de
fonctionnement. Les conduites de retour des condensats seront également de
taille réduite.
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Le débit massique de
la vapeur en circulation dans le système de distribution est relativement
faible par rapport aux débits massiques d’eau ou d’huile utilisées comme
fluide caloporteur. Pour un même besion énergétique, l’installation des
conduites nécessitera donc moins de matériaux de support et de suspension.
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La circulation de la
vapeur dans les conduites est due aux différences de pression le long de la
tuyauterie. Il est donc inutile d’installer des pompes dont le coût est
généralement élevé.
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L’utilisation de la
vapeur comme fluide caloporteur permet une exploitation souple du système de
distribution. Ainsi la satisfaction d’une demande en vapeur variant suivant
les besoins, peut être réalisée sans faire appel aux pompes à vitesse
variables, ni aux différentiels de pression, ni aux by-pass.
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Au niveau des
appareils d’utilisation, la vapeur a l’avantage d’avoir un coefficient de
transfert de chaleur deux fois plus élevé que celui de l’eau. Par conséquent,
la taille des surfaces d’échange et l’investissement d’achat des appareils de
transfert (échangeurs, aérothermes,…) seront réduits. Un autre avantage de la
vapeur réside dans le fait qu’elle remplit uniformément l’espace interne des
échangeurs. Il est donc inutile de prévoir des échangeurs avec des chicanes ou
autres dispositifs de répartition du fluide caloporteur.
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En principe, la
vapeur est un fluide inodore non toxique. Une fuite de vapeur n’engendre aucun
risque d’incendie et ne nécessite généralement pas d’arrêt de production pour
les opérations de maintenance et de réparation.
Un réseau de vapeur typique comprend les éléments suivants :
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Un générateur de vapeur ou
chaudière ;
-
Une tuyauterie et autres
éléments installés sur cette tuyauterie tels que vannes de contrôle et
purgeurs ;
-
Un système de récupération des
condensats englobant les conduites, les réservoirs de stockage et les pompes ;
-
Des appareils utilisateurs de
la vapeur.
Le rendement global d’un tel
réseau relie l’énergie utile de la vapeur à la quantité d’énergie du combustible
consommé pour produire cette vapeur. Ce rendement global peut être estimé à
partir des rendements individuels propres à chaque élément constituant le
réseau.
La consommation énergétique des
chaudières représente approximativement 50 % de l’énergie mise en jeu dans
l’industrie. L’amélioration des performances énergétiques du réseau de vapeur
(chaudière et système de distribution de la vapeur) aura donc un important
impact sur la facture énergétique d’une entreprise.
Le rendement d’une chaudière
dépend de deux facteurs importants :
-
Le rendement de combustion :
il est influencé par l’excès d’air et la température des fumées. Ce rendement
peut être amélioré par les mesures suivantes :
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Ajustement de l’excès d’air
qui a pour but de trouver la quantité d’air optimale pour laquelle la somme
des pertes par imbrûlés et des pertes par la chaleur sensible des fumées,
dues à l’excès d’air, est minimale.
-
Remplacement des gicleurs et
des clapets .
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Achat d’un nouveau brûleur
conçu pour fonctionner à faible excès d’air.
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Contrôle automatique de la
combustion à envisager avec des brûleurs de bonne qualité et des chaudières
de 10 t/h de vapeur au minimum.
- Les
pertes diverses :
elles comprennent surtout les échanges de chaleur convectifs et
radiatifs entre les surfaces chaudes et l’air ambiant, les pertes de purge et
les pertes par les ouvertures dans le cas des fours. Ces pertes peuvent être
réduites en isolant les parois chaudes ou en récupérant la chaleur perdue.
L’amélioration du rendement de
la chaudière nécessite un contrôle permanent de la combustion et de la qualité
de l’eau. Le contrôle de la qualité de la combustion se fait normalement de deux
manières : l’observation visuelle des flammes et des fumées ; et l’analyse des
fumées. La méthode la plus effective de minimiser la consommation du
combustible consiste à améliorer le rendement de la combustion en réduisant les
pertes par les fumées. La qualité de l’eau est très importante aussi bien pour
le rendement de l’installation que pour la sécurité des équipements et du
personnel. Celle-ci se présente sous deux aspects : les qualités
physico-chimiques de l’eau d’alimentation et celle de l’eau dans la chaudière.
Un économiseur utilisant la
chaleur des fumées chaudes pour préchauffer l’eau d’alimentation est souvent
installé dans les grosses chaudières. Cette économiseur doit être bien installé,
et son système de contrôle adéquat car il affecte le fonctionnement du brûleur
et la chute de pression de l’eau d’alimentant la chaudière.
Plusieurs améliorations doivent
être apportées au système de distribution de la vapeur pour assurer une bonne
performance énergétique. Parmi ces améliorations, on peut citer :
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Réparation des fuites de
vapeurs : La
réparation des fuites nécessite surtout de la main d’œuvre et peu de pièces de
rechange. Parfois, des vannes ou des raccordements défectueux doivent être
remplacés. Il est important de ne jamais négliger les petites fuites.
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Vérification et entretien des
purgeurs :
Les purgeurs doivent être capable d’évacuer rapidement les condensats pour
différentes charge et surtout sous les faibles pressions lors de la mise en
service. L’état des purgeurs doit être vérifié régulièrement. L’expérience
pratique a montré qu’il existe souvent plusieurs purgeurs défectueux sur un
réseau de distribution de vapeur. Dans la majorité des cas, l’évacuation des
condensats est assurée par les points de purges voisins. Une telle situation
peut provoquer de graves dommages par coups de bélier.
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Calorifugeage des parties
chaudes : La
réduction des déperditions thermiques du réseau de vapeur et de condensats par
un bon calorifugeage de la tuyauterie et des points singuliers (vannes,
brides, …), constitue l’une des premières actions d’amélioration des
performances énergétiques. L’installation des calorifuges est facile, peut
être réalisée rapidement sans perturbation de la production et présente un
intérêt énergétique et financier certain. Plusieurs matériaux reconnus pour
leur pouvoir isolant sont disponibles sur le marché. Ces matériaux sont
caractérisés par leurs propriétés physiques, leur température limite
d’utilisation et par leur prix.
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Retour des condensats :
Les condensats de la vapeur sont de l’eau très pure à des températures pouvant
être hautes ou modérées. Dans toutes les usines, il est recommandé de
retourner le maximum possible de condensats et de les réutiliser comme eau
alimentaire de la chaudière. Une basse température de l’eau alimentant la
chaudière peut provenir d’un faible taux de retour des condensats, d’une
mauvaise isolation de la tuyauterie du réseau des condensats ou des pertes de
chaleur importantes au niveau de la bâche de récupération. La récupération des
condensats doit être maximale sous réserve qu’il n’y a aucun risque de
contamination. En procédant ainsi, on peut économiser de l’énergie, de l’eau
et les produits chimiques utilisés pour le traitement des eaux.
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