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Réseaux de vapeur

 

 

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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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 : 

  • 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 :
    • 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 .
    • Achat d’un nouveau brûleur conçu pour fonctionner à faible excès d’air.
    • 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 : 

  • 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.
     
  • 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.
     
  • 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.
     
  • 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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Dernière modification : 10 juin 2007 © Copyright 2004 - THERMACLIM - Tous droits réservés