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Aug 05, 2023

Comment éviter la condensation

Le coup de bélier induit par la condensation (CIWH) est le terme couramment utilisé lorsque

Le coup de bélier induit par la condensation (CIWH) est le terme couramment utilisé pour décrire une variété de transitoires qui se produisent lorsque la vapeur d'eau est rapidement condensée par de l'eau froide. Cet article décrit les différents types et causes de CIWH, explique comment estimer les vitesses et les pressions impliquées et fournit aux lecteurs des solutions qui peuvent être utilisées pour le prévenir.

La vapeur et l'eau liquide dans un pipeline ne font pas toujours bon ménage. Les situations où ils sont mis en contact de manière inattendue peuvent être volatiles. Un transitoire hydraulique est un événement à court terme déclenché par un changement rapide de la vitesse ou de la pression d'écoulement de la conduite. L'événement génère des impulsions de pression qui se propagent comme des vagues en aval et en amont de leur point d'origine. Les impulsions impactent et se réfléchissent sur les obstructions lorsqu'elles traversent le tuyau. Cela produit un bruit de martèlement et des mouvements de tuyau semblables à des coups de pied. Le terme « coup de bélier » est utilisé de manière générique pour désigner ces transitoires, même lorsque d'autres liquides et gaz sont impliqués.

La vapeur d'eau est de la vapeur humide. Si vous ajoutez de la chaleur à une quantité d'eau au point d'ébullition, elle commencera à se transformer (se vaporiser) d'un liquide à une vapeur. Si vous continuez à ajouter de la chaleur, le liquide et la vapeur resteront à la même température jusqu'à ce que tout le liquide soit converti en vapeur. Ceci est connu comme étant dans des conditions saturées. Une canalisation qui transporte à la fois du gaz et de l'eau liquide est dite contenir un écoulement diphasique.

Si de l'eau chaude saturée dans un tuyau subit une diminution de pression, elle commencera à se vaporiser. De petites bulles de vapeur se formeront. Ces bulles sont flottantes, elles ont donc tendance à monter et à s'accumuler dans des poches aux points hauts. Des poches peuvent également être créées si la géométrie du tuyau isole une quantité de vapeur lors d'un remplissage ou d'un arrêt du système. Par exemple, la vapeur peut être emprisonnée dans un coude en U vertical si les deux colonnes montantes sont bloquées par de l'eau lors du remplissage.

Un liquide est dit sous-refroidi s'il est à une température inférieure à la température de saturation pour une pression donnée. Si une poche de vapeur entre en contact avec un liquide sous-refroidi, elle commencera à se condenser à la frontière vapeur/liquide. Le taux de condensation augmente à mesure que la différence de température augmente. Lorsque la différence de température est supérieure à environ 35 F, toute la vapeur se condense soudainement. La vapeur occupe beaucoup plus d'espace qu'un liquide ; par conséquent, un vide à basse pression est créé. L'eau entourant la poche va accélérer dans le vide. Cette implosion se produit en une fraction de seconde. La vitesse (VI, pi/sec) de l'eau qui avance juste avant l'impact est réduite à zéro à l'impact et peut être calculée comme indiqué dans l'équation 1 :

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

où α est le taux de vide (avec prudence environ 0,5); gc est la constante gravitationnelle (32,2 ft-lbm/sec2-lbf); et ρ est la densité du fluide (lbm/ft3). La pression dans une poche de vapeur (PD) est la pression de vapeur correspondant à la température de l'eau environnante. Comme la distance parcourue est très petite, le frottement a un effet minime et est négligé.

Le changement brusque de vitesse génère une impulsion de pression de coup de bélier. La vitesse de l'impulsion lorsqu'elle se déplace à travers le tuyau est la vitesse acoustique (sonique) (c, ft/sec) et peut être calculée à l'aide de l'équation 2 :

c = √(( 144 gc G / ρ ) / ( 1 + ( G / E ) φ ))

où G est le module de masse de compressibilité du liquide (psi) ; E est le module d'élasticité du tuyau (psi); φ est un paramètre de condition aux limites du tuyau qui, pour un tube à paroi mince fixé aux deux extrémités, est D/t ; où D est le diamètre intérieur du tuyau (po); et t est l'épaisseur du tuyau (po). L'entraînement d'air réduirait la vitesse.

L'impulsion de pression maximale théorique (∆P, psi) peut être trouvée à l'aide de l'équation familière du coup de bélier "Joukowski", illustrée ici en tant qu'équation 3 :

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

où la variable k est de 1,0, si l'effondrement de la poche de vapeur se produit à côté d'une surface dure telle qu'une impasse de tuyau ou une vanne fermée, sinon, k = 0,5. Notez que ΔP n'est pas la pression totale, mais l'augmentation ou la diminution par rapport à la pression à l'état d'équilibre qui existait avant le transitoire.

Lorsqu'il y a un écoulement diphasique stratifié dans un tuyau horizontal, le niveau d'eau dans le tuyau augmentera en raison de la condensation à l'interface vapeur/eau. Cela diminue la section transversale du tuyau occupée par la vapeur, ce qui augmente sa vitesse. Lorsque la différence de vitesse est suffisamment grande, il y aura une transition d'un écoulement stratifié à un écoulement à bouchons. Les ondes de surface se forment et se déplacent à une vitesse supérieure à celle du liquide. Les vagues deviennent plus grosses à mesure que le flux devient plus turbulent. Si une grande onde de surface bloque la section transversale des tuyaux, la vapeur entrant dans le pipeline exercera une pression sur le côté amont de l'onde, ce qui la propulsera dans le pipeline sous la forme d'un bouchon d'eau.

Le nombre de Froude (Fr) est un paramètre généralement utilisé pour évaluer la formation d'ondes de gravité dans un écoulement en canal ouvert. Des études ont montré qu'il existe une vitesse minimale (VMIN) au-dessus de laquelle une transition d'un écoulement diphasique stratifié à un écoulement par bouchons ne se produira pas. Ce débit correspond à un nombre de Froude de 0,5. La pratique de l'industrie consiste à utiliser prudemment un nombre de Froude de 1,0 lors du dimensionnement des tuyaux, afin de fournir une marge de conception. VMIN peut être calculé à l'aide de l'équation 4 :

VMIN = Fr √( gc D / 12 )

Lorsqu'une limace d'eau heurte quelque chose sur son passage, une impulsion de pression de coup de bélier est générée. En négligeant le frottement, la vitesse d'impact est calculée à l'aide de l'équation 5 :

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( LV / LS ))

où PU est la pression de vapeur en amont (psi); PD est la pression de vide en aval (psi) ; LS est la longueur du slug (ft); et LV est la longueur de l'espace de vapeur (ft).

L'impulsion de pression à l'impact (∆P) peut être trouvée à l'aide de l'équation 3 avec k = 1,0. La force d'impact de la limace (FS, lbf) est principalement fonction de l'élan de la limace, illustré dans l'équation 6 :

FS = ( AP ( ρ VI2 )) / gc

où AP est la surface d'écoulement interne du tuyau (ft2). Pour inclure les effets dynamiques de l'impact, un facteur de charge dynamique conservateur (DLF) égal à 2X est fréquemment utilisé pour la conception. Ce facteur représente le rapport entre la contrainte d'une charge appliquée rapidement et la contrainte qui se serait produite si la charge avait été appliquée lentement.

Les événements transitoires hydrauliques dans les centrales électriques ont été largement étudiés par l'Electric Power Research Institute (EPRI) dans les années 1970 jusqu'aux années 1990. Une grande partie du matériel présenté dans cet article est basé sur le "Water Hammer Handbook for Nuclear Plant Engineers and Operators" TR-106438 de l'EPRI, qui a été publié en 1996 et peut être téléchargé à partir du site Web de l'EPRI à l'adresse : www.epri.com. L'étude a identifié et défini les quatre mécanismes de base suivants du CIWH.

Mécanisme 1—décharge de vapeur dans de l'eau sous-refroidie. Si une conduite de vapeur se décharge sous l'eau et que le débit de vapeur est arrêté en fermant une vanne en amont, une poche de vapeur sera emprisonnée dans la conduite (Figure 1). L'eau à la sortie du tuyau commencera à refroidir, car elle n'est plus chauffée par la vapeur. Le contact avec de l'eau sous-refroidie provoquera une condensation rapide de la poche de vapeur. La zone de basse pression créée par l'implosion provoque l'aspiration de la colonne d'eau dans le tuyau et son claquement dans la vanne fermée à grande vitesse. Une impulsion de pression de coup de bélier est émise à l'impact. Il n'est pas surprenant que ce mécanisme CIWH soit qualifié de canon à eau.

La charge différentielle à travers la colonne d'eau (∆H, ft) est trouvée à l'aide de l'équation 7 :

∆H = Ha + x0 – HVP

où x0 est la profondeur d'émersion du tuyau (ft); Ha est la hauteur de pression à la surface de l'eau ; et HVP est la pression dans la poche de vapeur.

La vitesse de la colonne d'eau (VO, ft/sec) est trouvée à l'aide de l'équation 8 :

VO = ∆V = √((2 gc ∆H ) / KTotal )

où KTotal est la somme des coefficients de perte des composants "Darcy-Weisbach" plus (f L) / D. Où, f est le facteur de frottement du tuyau, L est la distance entre la vanne et la sortie du tuyau et D est le diamètre intérieur du tuyau .

La vitesse d'impact (VI) peut être trouvée sur la base de l'équation 9, qui est une courbe empirique ajustée aux données du manuel EPRI :

VI = VO (( 0,0097 L / ∆H – 0,438) KTotal2 + ( –0,161 L / ∆H + 1,18) KTotal – 0,061 L / ∆H + 1,056)

L'impulsion de pression d'impact (∆P) peut être trouvée à l'aide de l'équation 3 avec k = 1,0.

Pour éviter les transitoires de mécanisme 1 :

Mécanisme 2—Vapeur et eau stratifiées à contre-courant dans un tuyau horizontal. Ce mécanisme CIWH se produit dans les conduites horizontales contenant un écoulement diphasique. La figure 2 montre un exemple où une conduite est utilisée pour alimenter une cuve à vapeur en eau sous-refroidie. Initialement, le tuyau est plein de vapeur. Lorsque la vanne de remplissage s'ouvre, la canalisation commence à se remplir d'eau de bas en haut. Les sections de tuyaux verticales seront remplies d'eau ; cependant, les sections de tuyau horizontales auront un écoulement diphasique avec de l'eau reposant sur la surface inférieure du tuyau tandis que la vapeur occupe l'espace au-dessus de l'eau.

La vapeur au contact de l'eau se condensera, ce qui entraînera l'aspiration de plus de vapeur dans la conduite, augmentant les débits de condensation et de vapeur. Cela initie un modèle de contre-courant entre la vapeur et l'eau, et une transition vers des conditions d'écoulement par bouchons. Une grande onde de surface qui remplit la section transversale du tuyau créera une poche de vapeur sur son côté aval. La vague est poussée vers l'aval par la pression de la vapeur. La poche de vapeur comprimée s'effondre au contact de l'eau sous-refroidie. L'implosion crée une impulsion de pression de coup de bélier et un grand différentiel de pression à travers l'onde l'accélère dans le pipeline sous la forme d'un bouchon d'eau. Lorsque la limace heurte un changement de direction ou une obstruction d'écoulement, l'impact crée une autre impulsion de pression importante.

Un transitoire de mécanisme 2 ne peut pas se produire si le tuyau est rempli d'eau. Le débit massique minimum (m, lbm/sec) pour faire le plein d'eau peut être trouvé en utilisant le critère indiqué dans l'équation 10, qui est basée sur un nombre de Froude de 0,5 :

m ≥ 2,227 ρ D2,5

De plus, des tests de modèles de débit ont montré que des conditions de contre-courant stratifiées ne se forment pas à de faibles débits, où le débit massique lors d'un remplissage d'eau répond aux critères de l'équation 11 :

m ≤ C D2 e–0,005 (LH/D)

où LH est la longueur horizontale du tuyau (pi); et C est un coefficient fonction du diamètre du tuyau (1,5 à 36 pouces) donné par l'équation 12 :

C = –0,00001745 D4 + 0,0001736 D3 – 0,06152 D2 + 0,9425 D + 4,280

Le CIWH à contre-courant a le potentiel de produire des forces transitoires très dommageables. Les problèmes surviennent le plus souvent au démarrage. Les conduites de retour de condensat et les systèmes de pulvérisation de désurchauffeur de vapeur sont particulièrement sensibles.

Pour éviter les transitoires de mécanisme 2 :

Mécanisme 3—Eau sous pression entrant dans un tuyau vertical rempli de vapeur. Ce mécanisme CIWH se produit dans des tuyaux verticaux remplis de vapeur ou des tuyaux horizontaux inclinés de plus de 3 degrés (qui agissent comme un tuyau vertical). Lors de la mise hors service d'un système, de la vapeur peut rester dans les poches. L'eau saturée peut également fuir au-delà des vannes d'arrêt où elle pourrait se transformer en vapeur du côté basse pression et former des poches de vapeur.

Bien que la condensation joue un rôle, le principal contributeur à la gravité d'un transitoire de mécanisme 3 est l'inertie et la pression de l'eau remplissant le tuyau, et si l'eau pénètre dans le tuyau vertical par le bas ou par le haut.

Remplissage supérieur. Lorsque l'eau sous-refroidie entre en contact avec la poche de vapeur, des bulles de vapeur se forment dans l'eau. Si le tuyau est rempli lentement, l'eau s'écoulera principalement le long des parois verticales du tuyau (écoulement en film annulaire), ce qui donnera aux bulles une chance de monter au centre du tuyau et de s'échapper. Cependant, si le taux de remplissage de l'eau est plus rapide que la vitesse de montée des bulles, les bulles de vapeur seront piégées, et elles se condenseront et s'effondreront sous la pression exercée par l'eau entrante. Les bulles de vapeur qui s'effondrent sont beaucoup plus petites qu'une poche de vapeur qui s'effondre, de sorte que les impulsions de pression de coup de bélier qui en résultent sont considérées comme modérées et non sévères (Figure 3).

La vitesse de remplissage maximale de sécurité (VF, ft/sec) pour un écoulement annulaire dans un tuyau vertical peut être calculée à l'aide de l'équation 13 :

VF = 0,67 √((( ρf – ρg ) / ρf ) (( gc D ) / 12 ))

où, ρf et ρg sont les densités dans des conditions saturées pour les phases liquide et gazeuse, respectivement. Notez que lorsque les pressions sont faibles, la densité du gaz est proche de zéro, de sorte que les termes de densité peuvent être négligés. Notez également que si le tuyau est incliné de plus de 15 degrés par rapport à la verticale, le schéma d'écoulement annulaire est modifié. Les bulles de vapeur se rassembleront le long de la partie supérieure de la section transversale du tuyau et leur vitesse de montée augmentera, par conséquent, la vitesse de remplissage sûre doit être augmentée d'un facteur de √2.

Remplissage inférieur. Lors du remplissage du système par le bas, le front de la colonne d'eau devient turbulent car il comprime et condense la poche de vapeur. La poche va imploser, créant une zone de basse pression, qui accélère la colonne d'eau vers le haut. Une forte impulsion de pression est générée lorsque le front de la colonne d'eau frappe la vanne de vapeur fermée (Figure 4).

Pour éviter les transitoires du mécanisme 3 :

Mécanisme 4—eau chaude entrant dans un tuyau à basse pression. La figure 5 montre un réservoir d'eau sous pression avec un tuyau d'évacuation fermé. La tuyauterie d'évacuation contient de l'eau stagnante qui se refroidira avec le temps. Lorsque la vanne se rouvre, l'eau sous-refroidie est rapidement soufflée à travers la vanne sans problème. Cependant, lorsque l'eau à température plus élevée passe à travers la vanne vers le côté basse pression, elle "flashera" en vapeur et le débit "s'étouffera". Lorsque le débit s'étrangle, le flux massique (débit massique) à travers la vanne est limité. Le changement brusque du flux massique de l'eau sous-refroidie à l'écoulement diphasique chaud crée un changement de vitesse important qui génère une onde de choc de coup de bélier et une turbulence au niveau de la vanne (Figure 5).

À tout point où la pression de l'eau tombe en dessous de la pression de vapeur, l'eau se transformera en vapeur. L'eau clignotante remplit le tuyau de bulles de vapeur, qui peuvent s'accumuler dans une poche de vapeur, entraînant un coup de bélier lorsque la vapeur se condense soudainement.

Les drains du réchauffeur vers le condenseur sont sensibles à ce mécanisme CIWH. Les vannes de pulvérisation du désurchauffeur qui fuient et les défaillances du purgeur de vapeur sont des causes typiques de l'évaporation du condensat chaud.

Pour éviter les transitoires du Mécanisme 4 :

En plus des événements d'interaction condensat et vapeur, il existe d'autres types et causes de transitoires de coups de bélier, qui ne sont pas abordés ici. Les coups de bélier induits par les bouchons d'eau se produisent lorsque les flaques de condensat dans le pipeline se transforment en bouchons lorsque les vannes d'isolement de la vapeur s'ouvrent et que l'eau est entraînée dans la vapeur. Le fonctionnement rapide de la pompe ou de la vanne créera des transitoires. La séparation de la colonne d'eau crée un vide, qui entraînera également un coup de bélier lorsque les conditions amènent les colonnes d'eau à se rejoindre.

Ces transitoires peuvent être modélisés et analysés à l'aide de logiciels commerciaux classiques de modélisation d'écoulements incompressibles et compressibles à l'aide de la "méthode des caractéristiques". La plupart des logiciels de coups de bélier ne sont pas capables de modéliser les événements CIWH à écoulement diphasique. Voir la référence EPRI mentionnée précédemment pour plus de détails. ■

—Michael F. Czyszczewski, Î.-P.-É.([email protected]) est un consultant en génie mécanique avec 45 ans d'expérience en conception dans l'industrie de l'énergie.

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