Un échangeur à plaques peut-il fonctionner à la vapeur ? Limites de température, évacuation des condensats et calage
Oui, un échangeur à plaques peut être chauffé à la vapeur. Les échangeurs à plaques vapeur-eau sont courants dans les sous-stations de chauffage urbain, les systèmes d'eau chaude, l'agroalimentaire et de nombreux procédés de chauffage. Mais la vapeur pardonne moins qu'un service eau-eau. Trois questions décident si un appareil à plaques convient : l'étanchéité supporte-t-elle la température de la vapeur, les condensats peuvent-ils quitter les plaques librement à toutes les charges, et à quelle fréquence la charge varie-t-elle ?
Ce guide s'adresse aux acheteurs et aux ingénieurs qui envisagent un échangeur à plaques pour la vapeur et veulent poser les bonnes questions aux fournisseurs. Le catalogue de produits de ce site comprend des échangeurs à plaques et joints, des échangeurs à plaques soudées, des échangeurs plaques-calandre et des échangeurs tubulaires. Pour un projet précis, envoyez vos données de vapeur et de condensats via le formulaire de demande de devis.
1. Commencer par la température de la vapeur
La vapeur saturée est d'autant plus chaude que sa pression est élevée, si bien que même une vapeur « basse pression » peut déjà approcher la limite d'un joint. Le tableau donne les températures de saturation selon les tables de vapeur IAPWS-IF97. La pression relative est inférieure d'environ 1 bar à la pression absolue.
| Pression de vapeur, bar(a) | Env. bar(g) | Température de saturation |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 120,2 °C |
| 4 | 3 | 143,6 °C |
| 6 | 5 | 158,8 °C |
| 8 | 7 | 170,4 °C |
| 10 | 9 | 179,9 °C |
La vapeur surchauffée est plus chaude que la température de saturation à sa pression : indiquez donc la température réelle de la vapeur en plus de la pression. Indiquez aussi la pression la plus élevée que le côté vapeur peut subir, par exemple si la vanne de régulation reste bloquée en ouverture, et pas seulement la pression de service normale.
2. Dans un appareil à joints, c'est le joint qui fixe la limite
Les plaques d'un échangeur à plaques et joints sont en général en acier inoxydable et limitent rarement le service vapeur. C'est le joint qui le fait. Un guide des joints publié par Heat Exchanger World donne au NBR (nitrile) une plage d'environ -10 °C à 110 °C et présente l'EPDM comme le matériau pour l'eau chaude et la vapeur, avec une plage d'environ -10 °C à 150 °C. Les nuances d'EPDM résistant à la vapeur vont plus loin : en 2006, Alfa Laval a indiqué que son matériau de joint EPDMP permettait à ses échangeurs à plaques de fonctionner jusqu'à 180 °C, soit 20 °C de plus qu'avec ses joints précédents. Sur ce site, l'échangeur à plaques et joints de Shanghai Heat Transfer Equipment affiche une température de calcul allant jusqu'à 180 °C, avec des joints en NBR, HNBR, EPDM, H-EPDM et FKM.
Deux conséquences pratiques. D'abord, un joint qui fonctionne près de sa température maximale vieillit plus vite qu'un joint qui garde une marge : demandez la durée de vie attendue du joint à votre température de service, et pas seulement sa valeur maximale. Ensuite, les valeurs dépendent du mélange exact et du fournisseur ; l'offre doit donc nommer le mélange proposé côté vapeur et sa limite de température en vapeur.
3. Les condensats doivent pouvoir quitter les plaques
Dans un échangeur à plaques chauffé à la vapeur, la vapeur entre par un orifice supérieur, se condense sur les plaques, et les condensats sortent par un orifice inférieur. Tout ce qui retient les condensats noie une partie du paquet de plaques. Spirax Sarco cite deux causes principales de ce noyage : un purgeur de vapeur mal choisi, et le calage (stall). Un appareil noyé perd de la surface d'échange, sa température de sortie devient difficile à réguler, et des coups de bélier et de la corrosion peuvent suivre.
Bonnes pratiques côté condensats :
- Utiliser un purgeur qui évacue les condensats dès qu'ils se forment. Les montages que Spirax Sarco décrit pour les échangeurs utilisent des purgeurs à flotteur.
- Installer le purgeur sous la sortie des condensats, pour qu'ils l'atteignent par gravité.
- Ne pas relever les condensats juste après le purgeur si la pression de vapeur dans l'échangeur peut devenir faible.
- Dimensionner la sortie et la tuyauterie des condensats pour le débit de condensats le plus élevé, et pas seulement pour le débit normal.
4. Le calage : pourquoi un réchauffeur vapeur se noie à charge partielle
La plupart des échangeurs vapeur régulent la température de sortie avec une vanne sur l'entrée de vapeur. Quand la charge baisse, la vanne se ferme et la pression dans l'échangeur chute. Spirax Sarco définit le calage comme la réduction ou l'arrêt de l'écoulement des condensats, qui se produit lorsque la pression dans l'échangeur est égale ou inférieure à la contre-pression totale appliquée au purgeur. Les condensats refluent alors dans l'échangeur.
Le calage est plus probable lorsque :
- la température d'entrée du fluide secondaire augmente, ou son débit diminue, quand la charge baisse ;
- la consigne de température de sortie est abaissée ;
- les condensats doivent être relevés ou renvoyés dans un réseau de condensats sous pression ;
- l'échangeur a plus de surface que le service n'en demande. Spirax Sarco note qu'en raison des coefficients de sécurité et des tailles standard, les échangeurs ont souvent plus de surface de chauffe que nécessaire, ce qui fait encore baisser la pression de vapeur à charge partielle.
Spirax Sarco décrit trois façons de base de traiter le calage :
| Approche | Principe | Quand elle convient |
|---|---|---|
| Casse-vide et évacuation par gravité | Un casse-vide après la vanne de régulation laisse entrer de l'air, et les condensats s'écoulent par gravité vers un purgeur à flotteur installé 0,5 à 1 m sous la sortie, qui rejette à la pression atmosphérique ou dans un réservoir à l'air libre | Les condensats peuvent tomber librement vers une évacuation ouverte ou un réservoir à l'air libre |
| Purgeur-pompe | Une pompe à commande par pression associée à un purgeur à flotteur évacue les condensats même quand la pression de vapeur est inférieure à la contre-pression | Les condensats doivent être relevés ou renvoyés dans un réseau sous pression |
| Pression de vapeur stable | La température est régulée côté secondaire, si bien que l'espace vapeur reste toujours au-dessus de la contre-pression | Le procédé permet une régulation côté eau ou côté produit |
Les mêmes règles valent pour les appareils à plaques et tubulaires. À l'achat, précisez qui conçoit et fournit la vanne de régulation, l'ensemble de purge et le retour des condensats : le fournisseur de l'échangeur, un intégrateur de skids ou votre propre entreprise de montage. Beaucoup d'offres ne couvrent que l'échangeur.
5. Cycles thermiques et démarrage
La vapeur chauffe très vite un paquet de plaques froid. Des variations de température fortes et fréquentes sollicitent les joints et, dans les échangeurs à plaques brasés, peuvent avec le temps provoquer la fatigue des joints brasés. Quand le procédé le permet, ouvrez lentement la vanne de vapeur au démarrage, évitez une régulation tout ou rien de l'alimentation en vapeur, et demandez au fournisseur s'il fixe des limites de vitesse de démarrage ou de nombre de cycles. Indiquez au fournisseur à quelle fréquence l'appareil démarre et s'arrête : un système d'eau chaude qui cycle plusieurs fois par jour n'a rien à voir avec un réchauffeur de procédé qui fonctionne en continu.
6. Quelle conception pour quel service vapeur
| Conception | Domaine d'emploi | Points à vérifier |
|---|---|---|
| Échangeur à plaques et joints | Vapeur saturée basse pression chauffant de l'eau ou des liquides propres, avec une température de vapeur dans les limites du joint | Mélange et durée de vie du joint, taille de l'orifice vapeur, évacuation des condensats |
| Échangeur à plaques brasé | Petits réchauffeurs vapeur et skids compacts | Ne s'ouvre pas pour le nettoyage ; cycles thermiques ; métal d'apport de brasage compatible avec les deux fluides |
| Échangeur à plaques soudées (type bloc) | Températures et pressions plus élevées, quand les joints ne sont pas acceptables | Accès pour le nettoyage, pression et température de calcul, inspection |
| Échangeur plaques-calandre | Haute pression ou haute température dans un appareil compact | Quel fluide passe côté calandre, méthode de nettoyage |
| Échangeur tubulaire (à calandre) | Vapeur haute pression ou surchauffée, fortes charges, larges variations de charge ou condensats sales | Encombrement et poids plus importants ; pincement en général plus large qu'avec des plaques |
À titre indicatif, les données du catalogue de ce site indiquent jusqu'à 4,0 MPa et 400 °C pour l'échangeur à plaques soudées HT-BLOC et jusqu'à 6,0 MPa et 580 °C pour l'échangeur plaques-calandre de Lanshi. Ce sont les limites de la gamme ; les caractéristiques d'un appareil donné dépendent de sa conception et de ses matériaux.
7. Que fournir avec une demande de devis vapeur
| Élément | Ce qu'il faut donner |
|---|---|
| Pression de vapeur à l'entrée de l'échangeur | Minimale, normale et maximale, après la vanne de régulation |
| État de la vapeur | Saturée, ou surchauffée avec sa température |
| Puissance ou débit de vapeur | À la charge de calcul et à la charge minimale |
| Fluide secondaire | Fluide, débit, températures d'entrée et de sortie |
| Sortie des condensats | Contre-pression, éventuelle hauteur de relevage après le purgeur, type de retour |
| Mode de régulation | Vanne côté vapeur, ou régulation côté secondaire |
| Mode de fonctionnement | Continu, ou nombre de démarrages et d'arrêts par jour |
| Données de calcul | Pression et température de calcul, et code, par exemple DESP (PED) ou ASME |
| Périmètre | Échangeur seul, ou avec vanne de régulation, ensemble de purge et skid |
La charge minimale compte autant que la charge de calcul. Un appareil dimensionné seulement pour la pointe peut passer l'essentiel de sa vie près du calage.
8. Ce que cela signifie pour les acheteurs
Un échangeur à plaques fait un bon réchauffeur vapeur lorsque la température de la vapeur reste dans les limites du joint avec une marge, que les condensats peuvent s'évacuer à toutes les charges et que la charge ne s'enclenche et ne se coupe pas plusieurs fois par jour. Lorsque la pression de vapeur est plus élevée, que la vapeur est surchauffée ou que le réseau de condensats ne peut pas être conçu pour éviter le calage, un échangeur à plaques soudées, plaques-calandre ou tubulaire est souvent le choix le plus sûr. Demandez aux fournisseurs d'indiquer les limites côté vapeur de l'appareil proposé et d'expliquer comment l'évacuation des condensats a été traitée sur des projets similaires. Pour préparer un devis, voir quelles données envoyer avant un devis d'échangeur de chaleur et le guide de choix entre échangeur à plaques et tubulaire.
Sources et pages associées
- Spirax Sarco, échangeurs de chaleur et calage : https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/heat-exchangers-and-stall
- Spirax Sarco, méthodes pratiques pour éviter le calage : https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
- Tables de vapeur Spirax Sarco, ligne de vapeur saturée sèche : https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/dry-saturated-steam-line
- Heat Exchanger World, guide des joints d'échangeurs à plaques : https://heat-exchanger-world.com/?p=69916
- Process Engineering (2006), joints EPDMP d'Alfa Laval jusqu'à 180 °C : https://processengineering.co.uk/article/1294851/enhanced-temperature-performance-takes-gaskets-to-new-levels
- Échangeurs à plaques et joints sur HeatEx Direct : https://heatexdirect.com/fr/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/gasketed-plate-heat-exchanger
- Échangeurs à plaques soudées HT-BLOC sur HeatEx Direct : https://heatexdirect.com/fr/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/ht-bloc-welded-plate-heat-exchanger
- Échangeurs tubulaires sur HeatEx Direct : https://heatexdirect.com/fr/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger