Volume 21, numéro 2, juin 2007

Produire de l’eau chaude avec de la vapeur tout en étant performant ? Pourquoi pas !

Le chauffe-eau et la chaudière à haute efficacité ont fait jaillir bon nombre de projets de décentralisation en vue d’économiser de l’énergie.Ces remplacements ne répondent pas toujours aux besoins de chauffage et, dans ces cas, les économies ne sont pas au rendez-vous. Le chauffe-eau vertical est une solution fort intéressante.

La venue sur le marché de chauffe-eau et de chaudières à haute efficacité (condensation) a fait naître plusieurs projets de décentralisation. Le but était d’économiser de l’énergie. La vapeur était alors systématiquement remplacée par un réseau d’eau chaude. Malheureusement, ces projets n’étaient pas toujours adaptés aux besoins des clients et les économies attendues n’étaient pas au rendez-vous. Le chauffe-eau vertical est une alternative fort intéressante à la décentralisation. Avant de vous présenter les avan­tages économiques du chauffe-eau vertical, voyons d’abord son fonctionnement.

Les deux types d’échangeurs

La figure 1 illustre une installation conventionnelle pour la production d’eau chaude avec un échangeur vapeur-eau horizontal. À la sortie de la chaudière, la pression et la température de la vapeur sont souvent réduites à l’aide d’un ensemble de valves, de soupapes et d’évents. La vapeur passe ensuite à travers l’échangeur et transmet sa chaleur latente au liquide. À la sortie de l’échangeur, il faut encore toute une quincaillerie pour assurer le retour du condensat vers la chaudière. En chemin, de l’énergie sera perdue dans l’atmosphère à travers les différents évents du réseau sous forme de vapeur de revaporisation (flash steam).

Figure 1. Méthode conventionnelle

La température du fluide à chauffer est contrôlée par la pression de la vapeur admise dans l’échangeur. En fait, plus la pression de la vapeur est élevée, plus sa température le sera. Ainsi, lorsque la sonde de température du fluide indiquera une température plus élevée que le point de consigne, la pression de la vapeur sera réduite (pour diminuer sa température). Avec ce type d’installation, il est difficile de maintenir le fluide à température constante.

Le chauffe-eau vertical est en fait un échangeur vapeur-liquide qui peut être noyé. La figure 2 illustre une telle installation. Vous remarquerez une diminution de la quincaillerie de contrôle habituelle. Effectivement, il n’est plus nécessaire d’abaisser la pression de la vapeur à l’entrée de l’échangeur, car celui-ci est conçu pour fonctionner à plus haute pression. L’échangeur récupère la chaleur latente et une partie de la chaleur sensible de la vapeur. Ainsi, du condensat peut s’accumuler et refroidir dans l’échangeur avant de retourner à la chaudière. Finalement, un tel système ne requiert plus de station de pompage du condensat.

Figure 2. Installation avec un échangeur vertical

La sélection

La sélection d’un échangeur de chaleur se fait à l’aide de deux équations :

 

Avec un échangeur vertical, l’accumulation de condensat et son refroidissement permettent de varier la superficie d’échange selon la demande de chaleur. La quantité d’énergie provenant de la vapeur est donc la somme de sa chaleur latente et d’une partie de sa chaleur sensible, comme il est indiqué plus haut. Ceci se traduit globalement par un échangeur vertical plus petit qu’un échangeur conventionnel.

Provenance des économies

Les économies proviennent de plusieurs sources. Pour la même quantité d’énergie requise à l’application, la ou les chaudières produiront moins de vapeur globalement, car les pertes en vapeur de revaporisation seront diminuées. Dès lors, l’installation d’un chauffe-eau vertical implique une tuyauterie plus petite côté vapeur ainsi qu’une optimisation du nombre d’évents et de leur dimension. Le débit d’eau d’appoint (make-up water) sera plus faible, puisqu’une plus grande partie du débit de vapeur qui entre dans l’échangeur sera retournée à la chaudière en condensat. Cette eau est généralement préchauffée par la vapeur avant d’être admise dans la chaudière.

Il y a aussi diminution des coûts d’installation, puisque la tuyauterie est plus petite que dans le cas d’un montage standard. En effet, le chauffe-eau vertical demeure très performant même à haute pression (100 psig et plus). Finalement, la diminution de la quincaillerie entraîne une réduction des coûts de maintenance, puisqu’il y a moins de pièces à entretenir.

Un exemple

Un important centre hospitalier avait besoin de six échangeurs pour ses charges de chauffage, d’eau chaude et de vapeur propre. La conception initiale incluait les éléments suivants :

  • Deux stations de réduction de pression en parallèle de 3 po et de 1 1/2 po;
  • Une tuyauterie d’amenée de 4 po (soudée) et un évent sur la valve de sûreté de 8 po;
  • Deux stations de pompage avec un évent de 2 po;
  • Un réservoir de vidange avec un évent de 1 po;
  • Deux réseaux de retour de condensat.

La nouvelle installation avec des échangeurs verticaux a permis les modifications suivantes :

  • Aucune station de pompage de condensat;
  • Aucun réservoir de vidange pour le générateur de vapeur propre;
  • Une tuyauterie d’amenée de 2 1/2 po (filetée);
  • Des valves de contrôle de 1/2 po sur tous les équipements de vapeur;
  • Aucune station de réduction de pression;
  • Une seule ligne de retour de condensat.

Ces changements ont permis au client de réaliser des économies sur trois plans;

  • 300 000 $ en coûts de construction;
  • 20 000 $ en coûts de maintenance;
  • 40 000 $ en économies d’énergie.

Cet exemple démontre clairement qu’il est possible d’améliorer à faible coût la performance énergétique d’un réseau de vapeur. Il faut pour cela analyser plusieurs technologies, incluant bien entendu le chauffe-eau vertical en mode calage.

Marie-Joëlle Lainé, ing.
Conseillère technique
Groupe Datech

Cet article a été écrit avec la collaboration de Patrick Lach de Maxi-Therm.