Récupération de chaleur avec de la vapeur

Lors du transfert de chaleur à partir dun fluide liquide, tel que de leau chaude ou de lhuile thermique, la chaleur sensible du fluide est utilisée. Le liquide est amené à léchangeur de chaleur à des températures plus élevées. Lorsque le liquide dégage de lénergie thermique, la température baisse et quitte léchangeur de chaleur à une température plus basse. La vapeur est généralement divisée en vapeur saturée (humide) et vapeur surchauffée (sèche). La vapeur est produite lorsque toutes ses molécules deau restent à létat gazeux à une température correspondant à la pression de vapeur. Cest pourquoi on lappelle également « vapeur saturée » (lorsquelle est chauffée davantage, elle devient vapeur surchauffée).

La principale différence entre la vapeur et leau ou lhuile thermique est son état vaporeux. Cela, ou le fait que la vapeur soit de leau chauffée au-dessus du point débullition, présente plusieurs avantages et inconvénients pour les processus, les appareils et les équipements qui génèrent et contrôlent le processus.

Pour les systèmes de récupération de chaleur à vapeur et à liquide, la température dentrée du fluide secondaire dans léchangeur de chaleur peut changer au fil du temps, ce qui nécessite un dispositif de contrôle dans le système. Cela signifie que pour maintenir constante la température de sortie du fluide secondaire, la chaleur fournie à léchangeur de chaleur doit également varier. Cela peut être réalisé, par exemple, par une vanne de régulation sur le côté primaire de léchangeur de chaleur.

La récupération de chaleur à laide de la vapeur peut être définie comme le processus par lequel la chaleur qui serait normalement perdue est captée et transférée vers un générateur de vapeur. La chaleur perdue est convertie en vapeur et alimente un dispositif ou un processus où elle peut être utilisée comme énergie thermique efficace, économique et respectueuse de lenvironnement.

En général, le système de chauffage à vapeur signifie que la vapeur est fournie à léchangeur de chaleur à létat gazeux. Dans le transfert de chaleur avec de la vapeur saturée, la chaleur latente de la vapeur est utilisée et une grande quantité dénergie est libérée lors de la condensation (transition vers létat liquide).

La vapeur permet un transfert de chaleur à température constante, ce qui est impossible à réaliser dans un transfert de chaleur à létat liquide.

Dans ce qui suit, nous décrirons quelques avantages et inconvénients des systèmes à vapeur par rapport aux systèmes de transfert de chaleur à huile thermique.

Avantages et inconvénients des systèmes à vapeur

A. Les avantages des systèmes à vapeur

Tout dabord, la quantité de chaleur latente libérée est 2 à 5 fois supérieure à la quantité de chaleur sensible disponible après la condensation de leau chaude (eau saturée). Cette chaleur latente est automatiquement libérée et transférée au produit à chauffer via la surface de transfert de chaleur. Grâce à la condensation, la vapeur et le condensat liquide sécoulent naturellement contre la surface de transfert de chaleur et favorisent le transfert de chaleur. En revanche, les systèmes à eau chaude et à huile thermique transfèrent la chaleur par chauffage par convection, ce qui ne provoque aucun changement détat ou de phase lors du chauffage du milieu.

Un autre avantage de la vapeur est que lévaporation nécessite de lénergie qui peut être récupérée lorsque létat de la vapeur passe de vapeur à liquide (condensation), cest-à-dire que lénergie accumulée lors de lévaporation est utilisée en étant à nouveau libérée lors de la condensation. (Lénergie qui peut être libérée lors de la condensation est appelée chaleur latente)

Un autre avantage est que la vapeur est transportée sans pompe, soit par gravité en raison de la faible densité, soit par la différence de pression lors de la génération et de la détente de la vapeur.

Cela permet déviter lutilisation de pompes et donc de réduire la consommation dénergie électrique. En revanche, si leau doit être réutilisée, le condensat doit être pompé vers le système dalimentation en eau.

Cependant, le transfert de chaleur dans un système de transfert de chaleur avec des caloporteurs liquides serait extrêmement lent en raison de la seule circulation naturelle. Par conséquent, une pompe doit être utilisée pour créer un flux contre la surface de transfert de chaleur afin daugmenter la vitesse de transfert de chaleur, ce que lon appelle le transfert de chaleur par convection forcée.

De plus, la différence de température entre lentrée et la sortie de la vapeur est très faible. Cela peut constituer un avantage considérable lorsque de faibles différences de température sur une certaine surface de chauffe sont nécessaires (par exemple pour les plaques de presse). Cela est relativisé dès que la chaleur latente de condensation doit être utilisée, car la température du condensat est inférieure à 100°C.

B. Les inconvénients des systèmes à vapeur

Linconvénient est que les températures élevées requièrent une pression élevée. Par exemple, la pression de la vapeur saturée à 300 °C est déjà supérieure à 85 bars, alors que lhuile thermique peut supporter des températures allant jusquà 400 °C, généralement sans pression.

Le fait que lensemble du système doive être conçu pour la pression de vapeur peut entraîner dénormes coûts supplémentaires lorsque des températures élevées sont requises.

Un autre inconvénient majeur est que la production de vapeur nécessite une pièce supplémentaire au-dessus du niveau de leau, dans laquelle la vapeur deau peut sétablir. Cela entraîne la nécessité dun appareil plus grand et, de plus, les générateurs de vapeur sont généralement installés horizontalement, car linstallation verticale est difficile pour réaliser une pièce de vapeur. Si la chaleur est récupérée à partir de lair chaud ou des gaz, cela nécessite plus de travail, des coûts plus élevés et plus despace pour linstallation de conduits, etc.

Furthermore, steam is compressible. Therefore, a lot of mechanical energy is accumulated in the vapor room, which is caused by compression. This leads to an increased damage potential and may require additional safety devices compared to liquid heat transfer media.

Also, minerals and oxygen contained in the water are released during evaporation and concentrated on the water surface. This can cause not only corrosion, but also deposits on the heating surface, known as boiler scale, which reduce the heat transfer within the heating surface and the water.

Depending on the temperature on the hot side, corrosive or thermal decomposition of the surface material can occur, even damage to the heat exchanger tubes can occur.

In combination with the high mechanical energy that accumulates in the steam chamber, it can cover a high damage potential. This means the feed-water quality must be monitored continuously and in most cases demineralization and deaeration of the water is required. In turn, it causes additional costs for apparatus and operating materials (see chemicals).

On top of that, even if chemical water treatment reduces the risk of deposits, minerals are still released during evaporation. These minerals have a higher density than water and are concentrated in the form of mud at the bottom of the steam generator.

The nitrates, which have a slightly lower density than water, are concentrated on the surface of the water. The deposits at the bottom of the steam generator must be frequently released by blowdown.

The nitrate concentration is measured with a conductivity electrode and released accordingly at the water surface.

These measures lead to continuous water losses, even if the condensate is completely returned. The water losses must be compensated by a continuous supply of fresh, demineralized and de-oxidized water, which leads to energy losses, since the fresh water must be heated.

The return of condensate requires additional care. The use of condensate traps, the correct inclination of the pipes, etc. poses an additional operational risk. If the system is not properly designed, steam hammering (Steam picks up the water, forming a "slug", and hurls this at high velocity into a pipe fitting, creating a loud hammering noise and greatly stressing the pipe) can cause minor damage to the pipes or even complete damage to a heat exchanger and/or a waste heat boiler and pumps.

Finally, steam systems are relatively complicated due to the facts described above. Therefore, the engineering of the process, the apparatus, also the operation of a steam system, require highly qualified and experienced specialists to ensure safe and trouble-free operation.

Examples for processes, where steam heat recovery systems can be used;

Le chauffage à chemise de vapeur est souvent utilisé dans les usines de traitement pour chauffer des dispositifs tels que des réservoirs, des bouilloires, des sécheurs, des réacteurs et des cuves émaillées. Grâce à linjection directe de vapeur, le réchauffeur offre la méthode la plus précise et la plus économe en énergie pour chauffer leau de la chemise à la température souhaitée. Ce système fonctionne en injectant de la vapeur directement dans la chemise pour assurer un transfert dénergie efficace de la vapeur, qui est immédiatement absorbée par le liquide.

Le séchage à la vapeur sous vide est un procédé de transfert de chaleur permettant déliminer lhumidité dun solide ou dun produit humide. Il est généralement utilisé pour chauffer et sécher des substances hygroscopiques et sensibles à la chaleur et repose sur le principe de génération de vide au moyen dune pompe à vide pour abaisser la pression de la chambre en dessous de la pression de vapeur de leau.

Lhumidification par humidificateurs à vapeur est utilisée lorsquun certain niveau dhumidité doit être maintenu pour éviter que les propriétés du matériau ne soient préservées et pour assurer un environnement confortable et sain aux travailleurs ou aux résidents. Lorsque lair froid est chauffé par les serpentins à vapeur, lhumidité relative de lair diminue et doit alors être ajustée à des niveaux normaux, en ajoutant une injection contrôlée de vapeur sèche saturée dans le flux dair en aval.

La vapeur générée par la récupération de la chaleur perdue peut être utilisée directement dans une turbine à vapeur pour produire de l’électricité.