Sources pour le contenu de l'article:
Spirax-Sarco, Armstrong, Lalonde-Systhermique, AWT - Association of Water Technologies et TGWT
Gestion des gaz incondensables dans les systèmes de production de vapeur
La présence de gaz incondensables dans un réseau vapeur diminue la pression de vapeur et diminue donc la température. Les transferts d’énergie sont difficiles, de sorte qu’il faut augmenter la pression des échangeurs pour obtenir la même température. Il en coûte donc plus cher en combustible pour chauffer le produit. De plus, la présence de gaz incondensables augmente la corrosion, ce qui entraîne des coûts associés à une surconsommation de produits anticorrosion et à des réparations fréquentes. Ce sont des dépenses évitables qui justifient la gestion de ces incondensables.
Que sont les gaz incondensables?
Nous regroupons dans le mot « air » tous les gaz incondensables. Ces gaz sont dits « incondensables » parce qu’une température d’ordre cryogénique (environ -150 oC) est nécessaire pour les condenser.
D’où viennent les incondensables?
Tous les réseaux vapeur sont nécessairement pleins d’air au démarrage. À chaque arrêt du réseau ou d’une partie du réseau, celui-ci se remplit d’air. Cela s’explique par le fait que la condensation de la vapeur provoque un vide dans le réseau et tous les joints défectueux, ou les moindres fuites, laissent entrer l’air.
Les meilleurs réseaux vapeur, équipés de vannes de vidange automatique pour empêcher le gel ou la formation de vide destructeur, laissent entrer l’air dans le système. L’air peut aussi s’introduire dans le système par les brise-vide.
Finalement, l’air peut pénétrer dans le système dissous dans l’eau d’alimentation. À 80 oC, l’eau peut dissoudre une quantité d’air correspondant à environ 0,06 % de son volume. Le dioxyde de carbone a quant à lui une plus grande solubilité, environ 30 fois supérieure à celle de l’oxygène. Quand l’eau est chauffée dans la chaudière, les gaz sont libérés avec la vapeur et emporté dans le réseau de distribution. Puisque l’air est présent partout, dans tous les systèmes, il est nécessaire de prévoir une élimination efficace des incondensables dans tout le réseau.
Quels sont les impacts des incondensables?
CORROSION
Une partie de l’oxygène qui entre dans un réseau de vapeur par l’air se transforme en oxyde et en rouille avec le métal du système. Le bicarbonate de calcium (ou de magnésium) de la dureté de l’eau est la source principale de gaz carbonique (CO2) dans un réseau. Les traitements d’eau enlèvent le calcium, mais laissent le bicarbonate. Celui-ci, suite aux réactions chimiques qui se produisent dans la chaudière, libère du CO2 qui se répand dans le réseau avec la vapeur. Au contact de l’eau (condensat), le gaz carbonique se dégrade en acide carbonique qui attaque l’acier des conduites et des équipements.
L’oxygène est la cause principale de corrosion dans les réseaux vapeur, mais si du dioxyde de carbone est aussi présent, alors le pH sera bas, l’eau aura tendance à être acide, et le taux de corrosion sera élevé.
MAUVAIS TRANSFERTS THERMIQUES
L’air, incluant l’azote et les autres gaz, est le meilleur isolant, ou le moins bon conducteur : 1/100 de pouce d’air isole autant que 11 pieds de cuivre, que 15,5 pieds d’acier ou que 1/5 pouce d’eau. C’est pourquoi tous les bons isolants contiennent de l’air. Sachant cela, il est facile de voir pourquoi il est très important d’enlever l’air qui pourrait se concentrer sur la surface de chauffe des échangeurs de chaleur.
La figure ci-haut montre comment la vapeur doit franchir une couche d’air avant de se condenser sur la paroi d’un échangeur, ce qui ralentit le processus de chauffe.
De plus, la présence de gaz incondensables dans un échangeur diminue la pression partielle de vapeur et diminue donc la température. Le manomètre indique la pression totale dans l’échangeur, et non pas seulement la pression partielle de vapeur. S’il y a des incondensables dans l’échangeur, la température réelle, qui est déterminée par la pression partielle de vapeur, sera inférieure à la température inférée à partir du manomètre, puisque celui-ci indique la pression totale. L’équation suivante illustre bien ce phénomène :
Pression du manomètre
= pression totale (Pt)
= pression partielle de la vapeur (Pv) + pression partielle des gaz (Pg)
S’il n’y a pas d’air dans la vapeur, Pt = Pv. À une pression de 100 psig, la table de vapeur nous apprend que la température est de 170 oC. Si la vapeur contient 20% d’air, alors 100 (Pt) = 80 (Pv) + 20 (Pg) et la température qui correspond à une pression de vapeur de 80 psig est 162 oC. Par conséquent, il faut augmenter la pression de l’échangeur pour obtenir une température de 170 oC et chauffer le produit à la température désirée implique des coûts plus élevés de combustible.
COMPORTEMENT DE L’AIR
Le graphique ci-dessous montre qu’à une pression constante de 10 bar (150 psig) dans un appareil, la température diminue à mesure qu’augmente la quantité d’air dans la vapeur. À 0% d’air, la température est de 180oC, alors qu’elle diminue à 160 ºC lorsqu’il y a 50 % d’air.
Une conséquence de ce phénomène est que la température dans l’échangeur est en fait moins élevée que ce que le manomètre nous laisse supposer. Cela s’explique par le fait que la température est déterminée par la pression partielle de vapeur seulement, pas par la pression totale!
TEMPÉRATURES DE PRODUIT INÉGALES
Si les gaz incondensables s’accumulent de façon non-uniforme sur la surface de chauffe d’un échangeur, il en résulte une température non-uniforme du côté produit de la surface. Éliminer des gaz incondensables des échangeurs peut avoir un impact positif sur la qualité du produit. Cela est spécialement critique avec des échangeurs tel que les séchoirs rotatifs et les plaques chauffantes, pour lesquels une température de surface de chauffe extrêmement uniforme est essentielle à l’obtention d’un produit de qualité. L’uniformité de la température est aussi importante dans le cas de nombreux produits liquides.
La courbe ci-dessous montre le coefficient de transfert thermique en fonction du pourcentage d’air. Pour une vitesse d’écoulement donnée, plus il y a d’air dans un échangeur, moins le transfert thermique est bon. De plus, plus la vitesse d’écoulement est élevée, plus le transfert de chaleur s’améliore pour un même pourcentage d’air.
Gestion des gaz incondensables
L’élimination des gaz incondensables résulte idéalement d’une combinaison de méthodes mécaniques et chimiques. Il faut généralement faire appel à une stratégie en quatre étapes:
1. Retourner un maximum de condensat;
2. Remplacer, si possible, les réservoirs d’alimentation de chaudière par des dégazeurs pressurisés;
3. Appliquer un traitement chimique efficace;
4. Installer des évents mécaniques sur toute l’étendue du réseau.
1. RETOURNER UN MAXIMUM DE CONDENSAT
Comme le condensat est déjà chaud, désaéré et traité chimiquement, en retourner une plus grande quantité à la chaudière aura un impact important sur les coûts. Une proportion plus élevée de condensat retourné implique une moins grande introduction d’eau d’appoint et, plus important, une moins grande consommation de combustible à la chaudière.
2. REMPLACER, SI POSSIBLE, LES RÉSERVOIRS D’ALIMENTATION PAR DES DÉGAZEURS THERMIQUES
L’eau exposée à l’air devient saturée d’oxygène, et la concentration varie avec la température : plus la température est élevée, plus le contenu en oxygène diminue. Dans les réseaux vapeurs conventionnels, la première étape d’élimination des incondensables consiste à préchauffer l’eau dans un réservoir d’alimentation de chaudière afin d’en éliminer l’oxygène. En général, le réservoir est maintenu à une température de 85°C à 90°C et est équipé d’un évent ouvert à l’atmosphère. Cette pratique ne désaère pas de façon optimale et génère des pertes énergétiques importantes puisque part la vapeur utilisée pour chauffée l’eau s’échappe par l’évent. Dans la mesure du possible, il est préférable de remplacer le réservoir d’alimentation de chaudière par un dégazeur pressurisé afin de parvenir à une élimination plus complète des incondensables et une plus grande efficacité énergétique.
Si un liquide est à sa température de saturation, la solubilité d’un gaz dans le liquide est nulle, mais le liquide doit tout de même être agité fortement ou bouilli pour être complètement désaéré. C’est ce qui se produit dans la tête d’un dégazeur où l’eau est séparée en autant de gouttelettes que possible et entourée d’un nuage de vapeur. Cela génère un rapport surface/masse très élevé et provoque un transfert de chaleur rapide de la vapeur vers l’eau, qui atteint rapidement la température de saturation. Les gaz dissous sont libérés et entraînés avec l’excès de vapeur vers un évent fixé sur la partie supérieure du dégazeur. L’eau ainsi dégazée retombe dans le réservoir du dégazeur. Une couche de vapeur est maintenue au-dessus de la surface de l’eau afin d’assurer que l’air n’est pas réabsorbé.
3. APPLIQUER UN TRAITEMENT CHIMIQUE EFFICACE
Dans la plupart des usines, le traitement chimique existant est approprié. Historiquement, c’est sur le plan mécanique que les solutions conventionnelles ne sont pas optimales. Il y une limite à ce qui peut être accompli grâce à l’application d’un traitement chimique à lui seul, la chimie compense pour corriger les inefficacités mécaniques.
L’élimination mécanique de l’oxygène et du dioxyde de carbone permet de réduire de façon importante la consommation de produits chimiques de contrôle de la corrosion. Les inhibiteurs d’oxygène vont s’occuper d’éliminer l’oxygène présent dans l’eau d’alimentation; plus le taux d’oxygène restant est grand, plus la consommation en inhibiteurs sera élevée. Et en ce qui concerne l’acide carbonique formé par la présence de CO2, les amines neutralisantes, ainsi que l’ammoniac, sont efficaces pour contrer les effets d’un bas pH en augmentant celui-ci dans une plage souhaitable pour réduire la corrosion de l’acier, idéalement le plus près possible d’un pH de 8,5. L’accumulation de gaz carbonique à certains endroits d’un réseau de vapeur/condensat est souvent responsable des difficultés à contrôler adéquatement le pH du condensat.
4. INSTALLER DES ÉVENTS MÉCANIQUES (PURGEURS) SUR TOUTE L’ÉTENDUE DU RÉSEAU
L’utilisation d’un dégazeur pressurisé et de traitement chimique ne suffit pas à assurer l’élimination complète des gaz incondensables dans le réseau.
Inévitablement, des incondensables vont s’accumuler dans les échangeurs si rien n’est fait pour l’empêcher. Éliminer les incondensables des échangeurs améliore les transferts thermiques et contribue à assurer une température de produit uniforme, en plus de ne pas contribuer à l’accumulation de CO2 avec les effets néfastes mentionnés plus haut sur le contrôle du pH, et donc, de la corrosion.
Des purgeur (évents) peuvent être installés sur tous les points stratégiques d’un réseau vapeur : sur la tuyauterie et sur tous les types d’échangeurs de chaleur. Le positionnement adéquat des thermo-éliminateurs dépend d’une variété de facteurs et requiert une bonne compréhension des mouvements de l’air et de son comportement dans un réseau vapeur : cet aspect de vos installations de vapeur requiert l’expertise d’une firme spécialisée en réseaux de vapeur.
Équipe du support technique - TGWT
info@tgwt.com
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