Tuyaux à vapeur - Leur fonctionnement

Tuyaux à vapeur - Comment ils fonctionnent

Tuyau à vapeur

Figure 1 : Tuyau à vapeur

Les tuyaux à vapeur sont des tuyaux spécialisés en caoutchouc conçus pour transporter la vapeur vers et depuis différents points d'un processus. Ces tuyaux sont généralement fabriqués en caoutchouc synthétique Ethylène Propylène Diène Terpolymère (EPDM) en raison de son excellente résistance à la chaleur, à l'eau, à la vapeur, aux acides et aux alcalis, à l'ozone et à la lumière du soleil. En général, tous les tuyaux de vapeur sont dotés d'un insert en acier/matériau à haute résistance à la traction, sauf pour les tuyaux de vapeur basse pression à usage spécial. Les tuyaux à vapeur sont classés en deux types : basse pression et haute pression, et chaque type en deux classes présentées ci-dessous.

Table des matières

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Qu'est-ce que la vapeur ?

La vapeur est l'état gazeux de l'eau. La plupart des substances minérales disponibles sur terre peuvent exister sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. On parle également des différentes phases de la substance. Dans le cas de l'eau (H2O), les termes glace, eau et vapeur sont utilisés pour désigner les trois phases, respectivement. Les molécules d'eau sont serrées les unes contre les autres à l'état solide, ce qui les empêche de changer de forme. À l'état liquide, les molécules deH2Ose déplacent librement, brisant et reformant une liaison. Lorsque l'eau est chauffée, les molécules acquièrent suffisamment d'énergie pour se libérer des liaisons hydrogène qui les maintiennent ensemble dans l'eau, et ces molécules "libres" passent en phase gazeuse sous forme de vapeur. La vapeur est utilisée comme source de chaleur pour la propulsion dans divers processus industriels.

Propriétés de la vapeur

  • La vapeur est incolore, insipide et inodore.
  • Il peut transporter efficacement de grandes quantités de chaleur d'un point à un autre.
  • La vapeur est produite à partir de l'eau, qui est bon marché et facilement disponible dans la nature.
  • La vapeur peut être utilisée comme moyen de chauffage dans les industries.

Types de vapeur

Il existe trois types de vapeur en fonction de la température et de la pression : la vapeur sèche, la vapeur humide et la vapeur surchauffée. Les différentes formes de vapeur sont utilisées pour diverses applications et nécessitent une sélection appropriée des tuyaux pour assurer un transfert efficace de la vapeur.

Vapeur sèche

La vapeur sèche, également appelée vapeur saturée, désigne la vapeur dont les molécules d'eau ne se condensent pas (la vapeur d'eau se transformant en eau liquide). La vapeur sèche se forme lorsque l'eau est chauffée à son point d'ébullition puis vaporisée à l'aide d'une chaleur supplémentaire (figure 2 A). La vapeur sèche présente diverses propriétés, ce qui en fait une excellente source de chaleur. Par exemple, un transfert de chaleur rapide et régulier améliore la qualité et la productivité du processus souhaité. Elle est également sûre, propre et peu coûteuse car elle provient de l'eau.

Vapeur humide

La vapeur humide, ou non saturée, désigne la vapeur qui contient de l'humidité. Lorsque l'eau est chauffée à son point d'ébullition et vaporisée, certaines molécules d'eau perdent leur énergie thermique latente et se condensent pour former de minuscules gouttelettes d'eau. Le mélange de gouttelettes d'eau et de vapeur est appelé vapeur humide. La figure 2 montre la formation de la vapeur humide.

Vapeur humide

Figure 2 : Vapeur humide

Vapeur surchauffée

La vapeur surchauffée est obtenue en chauffant de la vapeur sèche (saturée) au-delà de son point de saturation. À la même pression, la vapeur surchauffée peut fournir des températures plus élevées et une densité plus faible par rapport à la vapeur saturée. La vapeur surchauffée est principalement utilisée dans le secteur de la production d'électricité pour la propulsion des turbines. À l'état surchauffé, la vapeur ne se condense pas à l'intérieur de l'équipement à vapeur. Cela permet de maintenir l'état sec de l'équipement et de réduire le risque de corrosion.

Types de tuyaux à vapeur

Lanorme ISO 6134 a classé les tuyaux à vapeur destinés à transporter la vapeur saturée et le condensat d'eau chaude en deux types :

  1. Type 1 :tuyau à vapeur basse pression
    1. Température correspondante : 164°C
    2. Pression de service maximale : 6 bars
  2. Type 2 :tuyau à vapeur haute pression
    1. Température correspondante : 210°C
    2. Pression de service maximale : 18 bar

Ces deux types de tuyaux sont encore classés en tuyaux avec un revêtement résistant à l'huile ou un revêtement non résistant à l'huile.

Couvercle résistant à l'huile

Les tuyaux à vapeur résistants à l'huile ne subissent que peu ou pas de dégradation lorsqu'ils sont exposés à l'huile. Ces tuyaux sont généralement conçus pour supporter des températures élevées allant jusqu'à 207°C (406°F) pour la vapeur saturée et 232°C (450°F) pour la vapeur surchauffée. La figure 3 montre un exemple de tuyau à vapeur résistant à l'huile. Les tuyaux à vapeur dotés d'un revêtement résistant à l'huile sont utilisés dans les usines chimiques, les raffineries et les usines de transformation où le tuyau à vapeur risque d'être en contact avec de l'huile.

Tuyau à vapeur avec couvercle résistant à l'huile

Figure 3 : Tuyau à vapeur avec couvercle résistant à l'huile

Couverture non résistante à l'huile

Les tuyaux à vapeur non résistants à l'huile sont conçus pour des applications générales comme l'humidification et le chauffage (abordés plus loin dans l'article). En général, ils ont une durée de vie plus longue que les tuyaux résistants à l'huile, mais sont susceptibles d'être endommagés s'ils sont exposés à des huiles ou à des températures élevées, en particulier dans les industries exposées à des hydrocarbures comme les boues inversées à base de diesel, les lubrifiants et les nettoyants. Sous une telle exposition, ces couvertures non résistantes à l'huile se ramollissent et gonflent, ce qui les fait se déchirer. En conséquence, le tuyau est exposé à l'humidité, ce qui provoque la corrosion et la perte de sa capacité à contenir la pression.

Points d'attention

La vapeur peut être dangereuse et coûteuse à utiliser. Cependant, elle est également un moteur essentiel de nombreux processus industriels, comme nous le verrons plus loin. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée au choix, à l'installation et au montage des tuyaux à vapeur. Les points suivants requièrent une attention particulière pour éviter les dommages et augmenter la durée de vie d'un tuyau à vapeur.

Vulcanisation à la vapeur surchauffée

En raison de la température élevée et de la nature sèche, la vapeur surchauffée peut durcir la surface interne du caoutchouc, ce que l'on appelle la vulcanisation. La vulcanisation réduit la durée de vie du caoutchouc. Le graphique de la figure 4 montre la transformation de la vapeur saturée en vapeur surchauffée. Une ligne de vapeur à une pression de 18 bar et 2100C contient de la vapeur saturée. Si la pression est réduite par l'expansion de la vapeur, par exemple lorsque la vapeur passe soudainement dans un tuyau plus grand ou lors de l'ouverture soudaine d'une vanne de vapeur, la condition de la vapeur suit la ligne rouge dans la zone surchauffée. Cette situation ne dure pas longtemps, mais la vapeur surchauffée a tendance à détériorer le tube d'un tuyau à vapeur ordinaire destiné à être utilisé avec de la vapeur saturée. Cela entraîne une défaillance des tuyaux de vapeur à long terme.

Plage de température en fonction de la pression selon le type de vapeur

Figure 4 : Plage de température en fonction de la pression selon le type de vapeur

Popcorning

La couche interne de vapeur peut absorber de l'eau ou de la vapeur d'eau pendant l'utilisation. Une fois que le tuyau se refroidit, il condense la vapeur en eau emprisonnée à l'intérieur du tuyau en caoutchouc. Lorsque le tuyau est utilisé par la suite, l'eau piégée se dilate considérablement, créant des bulles d'air dans la paroi interne en raison de l'augmentation du volume. En conséquence, des cloques se forment sur la paroi interne, bloquant et contaminant la vapeur avec des morceaux de caoutchouc. Les dommages ainsi causés sont appelés popcorning.

L'une des mesures permettant d'éviter que les tuyaux à vapeur n'éclatent est de les sécher au sèche-cheveux après chaque utilisation. Mais c'est un processus qui prend du temps et qui est très rarement réalisé, ce qui augmente encore le risque. Pour éviter ce problème, on peut également utiliser des tuyaux à vapeur avec des parois intérieures extrudées, en plus de la vidange. Ces parois intérieures extrudées sont fabriquées en caoutchouc étanche aux gaz et sont sans soudure et homogènes. Ainsi, la vapeur d'eau ne peut pas pénétrer dans les murs, ce qui empêche le pop-corn.

Incrustations rouillées

Les inlays en acier sont montés dans les tuyaux de vapeur de manière standard. En raison de la paroi intérieure poreuse de ces tuyaux en caoutchouc, la vapeur entre en contact avec les incrustations en acier, ce qui entraîne une corrosion. Comme la corrosion a lieu sous la surface, les dommages peuvent rester cachés, ce qui peut avoir des conséquences dangereuses. L'affaiblissement et la fissuration créent des voies de fuite pour la vapeur sans aucun avertissement. Dans une telle situation, si la pression est augmentée pour maintenir un débit constant de vapeur, le risque d'éclatement d'un tuyau augmente, ce qui peut constituer une situation dangereuse.

Pour éviter une telle situation, on utilise des incrustations en acier galvanisé. Ils sont résistants à la rouille, ce qui augmente la sécurité et la durée de vie du tuyau à vapeur. Parmi les autres avantages des incrustations en acier galvanisé, citons la réduction des coûts liés à la perte de vapeur, qui peuvent être très élevés.

Rouille des incrustations en acier

Figure 6 : Rouille des incrustations en acier

Comment choisir un tuyau à vapeur

Le choix d'un tuyau à vapeur pour votre application nécessite une réflexion approfondie. Les principaux critères de sélection sont les suivants :

  1. Dimensions : Déterminez la longueur et le diamètre intérieur/extérieur requis pour votre application.
  2. Plage de fonctionnement : Le type de vapeur avec lequel on travaille (sèche, humide, surchauffée) déterminera le choix du tuyau à vapeur.
  3. Température : Assurez-vous que le tuyau à vapeur peut résister à la température maximale à laquelle il est exposé.
  4. La pression : Assurez-vous que le tuyau à vapeur peut supporter la pression maximale et, si nécessaire, une pression supplémentaire. En général, un tuyau de vapeur a un facteur de sécurité intégré (généralement 10:1), mais il ne faut pas en tenir compte lors du dimensionnement d'un tuyau, et il faut utiliser la sécurité de votre usine. La pression maximale du tuyau ne doit pas être dépassée.
  5. Matériau : Assurez-vous que le matériau est résistant à la chaleur, à l'eau et à la vapeur et qu'il ne réagit pas avec le fluide ou les produits chimiques auxquels il est exposé.
  6. Autres conditions de travail du tuyau :choisissez toujours un tuyau qui correspond à ses conditions de travail, par exemple :
    1. Fréquence d'utilisation (si le tuyau est utilisé occasionnellement ou continuellement)
    2. si le tuyau nécessite ou non une manutention manuelle
    3. la configuration du tuyau (courbé ou droit) lors du travail sous pression
    4. Les conditions de travail extérieures du site où le tuyau travaille (pour vérifier la possibilité de défoncements mécaniques ou de déversements de produits chimiques à proximité)

Applications courantes

La vapeur est utilisée pour diverses applications dans un large éventail d'industries. Selon les besoins, les tuyaux à vapeur sont utilisés pour canaliser la vapeur sèche, humide ou surchauffée pour ces applications. Certaines des applications industrielles courantes sont présentées ci-dessous.

Tuyaux pour le chauffage

Les usines de transformation alimentaire, les raffineries et les usines chimiques utilisent la vapeur comme source de chaleur. Les tuyaux à vapeur sont utilisés pour permettre une flexibilité et un déploiement facile de la vapeur. Les raffineries utilisent des tuyaux à vapeur pour fournir de la chaleur pour la lubrification et augmenter le débit pour le nettoyage des réservoirs et des cuves. Les usines de transformation des aliments acheminent la vapeur à haute température par des tuyaux à vapeur à des fins de stérilisation. Les échangeurs de chaleur pour fluides de traitement, les rebouilleurs, les réacteurs, les préchauffeurs d'air de combustion et autres équipements de transfert de chaleur utilisent la vapeur saturée (sèche) comme source de chaleur.

Tuyaux de propulsion des turbines à vapeur

Les turbines à vapeur utilisent la vapeur comme force motrice pour les applications de propulsion. Les turbines à vapeur sont utilisées dans les centrales thermiques pour produire de l'électricité. Les tuyaux à vapeur sont utilisés pour déplacer la vapeur d'un endroit à l'autre. Cela contribue à la formation d'énergie par le mouvement des particules de chaleur de la vapeur.

Turbines à vapeur dans une centrale électrique

Figure 7 : Turbines à vapeur dans une centrale électrique

Tuyaux pour le nettoyage

Le nettoyage à la vapeur est également une application courante nécessitant un transfert de vapeur. Le nettoyage à la vapeur avec des souffleurs de suie en est un exemple. Les suies/dépôts, lorsqu'ils sont collés à la surface chauffante, agissent comme des isolants empêchant le transfert fluide de la chaleur. Les souffleurs de suie éliminent ces dépôts des parois du four. Les chaudières sont généralement équipées de souffleurs de suie, qui libèrent de la vapeur à travers la buse, éliminant ainsi les cendres et les scories frittées.

Tuyaux pour l'hydratation

Dans certaines industries, la vapeur est utilisée lorsque le processus nécessite à la fois de l'humidité et un apport de chaleur. L'industrie de la production de papier et les usines de granulés en sont des exemples. Dans l'industrie du papier, l'humidité est fournie au papier qui se déplace sur des rouleaux afin qu'il ne subisse pas d'usure microscopique et qu'il améliore en même temps la résistance de la feuille. Dans la production des moulins à granulés, la vapeur est utilisée pour sécher et apporter de l'eau aux matières premières.

Tuyaux pour l'humidification

De nombreuses installations utilisent la vapeur saturée à basse pression comme principale source de chauffage intérieur. Ce phénomène est particulièrement fréquent dans les régions à climat froid. Les tuyaux à vapeur sont utilisés pour le transfert de la vapeur dans de tels environnements. Lorsque l'air froid est chauffé par les serpentins du système CVC, l'humidité de l'air diminue. C'est pourquoi il est souvent associé à des humidificateurs à vapeur qui injectent de la vapeur saturée sèche, conditionnant le flux d'air, assurant ainsi le confort intérieur, la préservation des livres et des dossiers, et le contrôle des infections.

Atomisation de la vapeur

L'atomisation à la vapeur est le processus qui consiste à séparer mécaniquement un fluide à l'aide de vapeur. Ce procédé est principalement utilisé dans les brûleurs à mazout pour maximiser l'efficacité de la combustion et minimiser la production de suie. Lorsque la vapeur est injectée par un tuyau à vapeur, l'huile se brise pour former de petites gouttelettes qui se mélangent à l'air pour permettre une combustion efficace.

La vapeur comme fluide moteur

La vapeur est utilisée comme fluide moteur pour forcer le mouvement d'autres fluides dans les canalisations. La vapeur motrice à haute pression passe par la buse jusqu'à l'éjecteur de jet, qui est ensuite diffusé. Il en résulte une augmentation de la vitesse et une diminution de la pression. Le fluide moteur à grande vitesse se combine avec l'air provenant du condenseur de surface, circulant ainsi à une pression intermédiaire. Ce procédé est utilisé sur les tours de distillation pour séparer et purifier les flux de vapeur de procédé.

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