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Bilans sur un dégazeur thermique

Le dégazage thermique est principalement utilisé pour éliminer l'oxygène de l'eau alimentaire des générateurs de vapeur.
La présence d'oxygène dans l'eau alimentaire des générateurs de vapeur provoque une oxydation du fer composant les aciers de construction de ces générateurs, provoquant une corrosion.

Le principe du dégazage thermique de l'eau repose sur deux lois physiques:
  • la concentration d'un gaz dissous est proportionnelle à sa pression partielle dans l'atmosphère au dessus du liquide (loi de Henry)
  • la solubilité d'un gaz dans un liquide diminue quand la température du liquide augmente

A la température de 20°C en présence d'air, la concentration d'oxygène dans l'eau est d'environ 10 mg/l.

Le dégazage thermique élimine physiquement les gaz dissous après avoir considérablement réduit leur solubilité grace à l'augmentation de la température.

Les différentes normes définissant la qualité de l'eau d'alimentation des générateurs de vapeur imposent une concentration en oxygène < 20 µg/l.

Description d'un dégazeur

Principe de fonctionnement

La solubilité d'une substance  gazeuse est proportionnelle à sa pression partielle dans le gaz. C'est la loi de Henry.
A la température d'ébullition du solvant, sa pression partielle dans la phase gazeuse est égale à la pression totale. La pression partielle du gaz dissous est donc nulle. A l'équilibre, sa concentration dans la phase liquide est donc nulle.
Pour assurer un dégazage total d'un liquide, il suffit de le porter à sa température d'ébullition, et d'assurer un débit de vapeur suffisant pour entrainer les gaz désorbés.
Un dégazeur thermique doit donc assurer ces deux fonctions. Pour dégazer de l'eau de chaudière, on utilisera naturellement de la vapeur vive pour chauffer et stripper.

Principes de régulation

Un dégazeur thermique est à la fois:
  • un réservoir d'eau de chaudière prête à être transformée en vapeur dans le générateur
  • un strippeur capable d'extraire les substances indésirables telles que oxygène et dioxyde de carbone
Les régulations principales seront donc:
  • une régulation de niveau d'eau ajustant le débit d'appoint d'eau à traiter. Le débit de retour des condensats de vapeur peut-être assez variable, et il y a peu de moyens de le réguler. L'ajustement du niveau d'eau n'agira que sur le débit d'eau déminéralisée.
  • une régulation du débit de vapeur de purge entrainant les gaz extraits. Trop peu de vapeur de purge signifie un stripping insuffisant et une extraction incomplète des gaz dissous; trop de vapeur de purge, c'est de la vapeur inutilement consommée. La régulation du débit de purge agit sur le débit de vapeur injectée. Plutot que contrôler le débit de purge, on préfèrera souvent réguler la pression du dégazeur et placer un orifice calibré sur le flux de purge.

Bilan matière et thermique

Dans un système complexe avec recyclages, il est toujours difficile de déterminer quels sont les flux à prendre en compte dans le bilan. Un bon moyen de prévenir toute erreur est de faire un schéma représentant tous les flux de matière ou d'énergie, et de tracer un cadre coupant tous les flux dont les grandeurs sont connues. Les flux ne coupant pas le cadre n'ont pas besoin d'étre mesurés. Cela ne signifie pas qu'ils sont exclus du bilan, mais au contraire qu'ils sont inclus dans le bilan, et n'ont pas besoin d'être individualisés. Si un flux non mesuré coupe le cadre, tenter de l'inclure dans le bilan en élargissant le cadre.

Schémas de dégazeurs pour bilanLe bilan autour du dégazeur doit satisfaire:

  • la conservation de la masse: somme des flux entrant = somme des flux sortant + l'accumulation
  • la conservation de l'enthalpie: somme des enthalpies des flux entrant = somme des enthalpies des flux sortant + flux de refroidissement

Bilan matière

Flux entrants

Débit d'eau déminéralisée: Fdemin
Débit de condensats recyclés: Fcond
Débit de vapeur: Fvap

Flux sortants

Débit d'eau dégazée: Fchaud
Débit de vapeur purgée: Fpurg

Bilan thermique

Les enthalpies des flux entrants et sortants sont issues des tables de propriétés de l'eau et la vapeur.

Flux entrants

  • Enthalpie de l'eau déminéralisée: Hdemin = enthalpie de l'eau liquide à la température de l'eau déminéralisée
  • Enthalpie des condensats recyclés: Hcond = enthalpie de l'eau liquide à la température des condensats au départ du réservoir. Si la température n'est pas connue, mais que le réservoir de condensats est sous pression de vapeur, c'est la température de saturation à la pression du réservoir.
  • Enthalpie de la vapeur alimentant le dégazeur: Hvap = enthalpie de la vapeur saturée, à la pression du réseau d'où elle est tirée.

Flux sortants

  • Enthalpie de l'eau dégazée: Hchaud = enthalpie de l'eau liquide à la température du dégazeur, ou à la température de saturation à la pression du dégazeur
  • Enthalpie de la vapeur purgée: Hpurg = enthalpie de la vapeur saturée à la pression du dégazeur

Exemple

Un dégazeur traite 8t/h d'eau déminéralisée à 20°C et 2t/h de condensats recyclés à 90°C. Le débit de purge est réglé par un orifice laissant passer 145 kg/h de vapeur lorsque le dégazeur est opéré à une pression de 0,2 bar effectif. Il n'y a pas condenseur récupérateur de chaleur.
Le dégazeur est alimenté en vapeur saturée à 1,5 bars effectif.
Le bilan matière et thermique est résumé ci-dessous:

Débit
[kg/h]		 Enthalpie
[kJ/kg]		 Flux enthalpique
[kJ/h]
Eau déminéralisée 8000 (a) 84 672000 (A)
Condensats 2000 (b) 377 754000 (B)
Purge gaz 145 (c) 2683 389035 (C)
Appoint vapeur 1444 (d) 2717 3923286 (D)
Eau de chaudière 11299 (a+b-c+d) 439 4960251 (A+B-C+D)

Si on ajoute un condenseur récupérateur de chaleur, et la purge gaz devient 13kg/h seulement, le bilan devient:
Débit
[kg/h]		 Enthalpie
[kJ/kg]		 Flux enthalpique
[kJ/h]
Eau déminéralisée 8000 (a) 84 672000 (A)
Condensats 2000 (b) 377 754000 (B)
Purge gaz 13 (c) 2683 34879 (C)
Appoint vapeur 1314 (d) 2717 3569995 (D)
Eau de chaudière 11301 (a+b-c+d) 439 4961116 (A+B-C+D)

Table des propriétés de l'eau et la vapeur à saturation

Propriétés calculées en utilisant CoolProp

Press
absolue
(bar)		 Temp
à
saturat
(°C)		 Enthalpie (kJ/kg) Volume
spécif
vapeur
(m3/kg)
Liquide Vaporis Vapeur
0,01 6,97 29,30 2484,37 2513,67 129,178
0,012 9,65 40,57 2478,01 2518,58 108,670
0,015 13,02 54,68 2470,04 2524,72 87,959
0,02 17,49 73,43 2459,45 2532,88 66,987
0,025 21,08 88,42 2450,97 2539,39 54,240
0,03 24,08 100,98 2443,86 2544,84 45,653
0,035 26,67 111,82 2437,71 2549,53 39,466
0,04 28,96 121,39 2432,28 2553,67 34,791
0,045 31,01 129,96 2427,41 2557,37 31,131
0,05 32,87 137,75 2422,98 2560,73 28,185
0,06 36,16 151,48 2415,15 2566,63 23,733
0,07 39,00 163,35 2408,37 2571,72 20,524
0,08 41,51 173,84 2402,37 2576,21 18,099
0,09 43,76 183,25 2396,97 2580,22 16,199
0,1 45,81 191,81 2392,05 2583,86 14,670
0,2 60,06 251,42 2357,51 2608,94 7,648
0,3 69,10 289,27 2335,27 2624,55 5,228
0,4 75,86 317,62 2318,43 2636,05 3,993
0,5 81,32 340,54 2304,67 2645,22 3,240
0,6 85,93 359,91 2292,95 2652,86 2,732
0,7 89,93 376,75 2282,67 2659,42 2,365
0,8 93,49 391,71 2273,47 2665,18 2,087
0,9 96,69 405,20 2265,12 2670,31 1,869
1 99,61 417,50 2257,44 2674,95 1,694
1,1 102,29 428,84 2250,33 2679,17 1,549
1,2 104,78 439,36 2243,69 2683,05 1,428
1,3 107,11 449,19 2237,46 2686,64 1,325
1,4 109,29 458,42 2231,57 2689,98 1,237
1,5 111,35 467,13 2225,98 2693,11 1,159
1,6 113,30 475,38 2220,66 2696,04 1,091
1,7 115,15 483,22 2215,58 2698,80 1,031
1,8 116,91 490,70 2210,71 2701,41 0,977
1,9 118,60 497,85 2206,03 2703,88 0,929
2 120,21 504,70 2201,53 2706,23 0,886
2,1 121,76 511,29 2197,18 2708,47 0,846
2,2 123,25 517,63 2192,98 2710,61 0,810
2,3 124,69 523,74 2188,92 2712,65 0,777
2,4 126,07 529,64 2184,97 2714,61 0,747
2,5 127,41 535,34 2181,14 2716,49 0,719
2,6 128,71 540,87 2177,42 2718,30 0,693
2,7 129,97 546,24 2173,80 2720,03 0,669
2,8 131,19 551,44 2170,27 2721,71 0,646
2,9 132,37 556,50 2166,82 2723,32 0,625
3 133,52 561,43 2163,46 2724,88 0,606
3,2 135,74 570,90 2156,95 2727,85 0,570
3,4 137,84 579,91 2150,72 2730,63 0,539
3,6 139,85 588,52 2144,73 2733,25 0,510
3,8 141,77 596,75 2138,97 2735,72 0,485
4 143,61 604,65 2133,40 2738,05 0,462
4,2 145,38 612,25 2128,01 2740,27 0,442
4,4 147,08 619,58 2122,80 2742,37 0,423
4,6 148,72 626,64 2117,73 2744,37 0,405
4,8 150,30 633,47 2112,81 2746,28 0,389
5 151,83 640,09 2108,02 2748,11 0,375
5,2 153,31 646,50 2103,36 2749,85 0,361
5,4 154,75 652,72 2098,81 2751,52 0,349
5,6 156,15 658,77 2094,36 2753,13 0,337
5,8 157,51 664,65 2090,02 2754,66 0,326
6 158,83 670,38 2085,77 2756,14 0,316
6,5 161,98 684,08 2075,52 2759,60 0,293
7 164,95 697,00 2065,75 2762,75 0,273
7,5 167,75 709,24 2056,41 2765,64 0,256
8 170,41 720,86 2047,44 2768,30 0,240
8,5 172,94 731,95 2038,81 2770,76 0,227
9 175,35 742,56 2030,47 2773,03 0,215
9,5 177,66 752,74 2022,41 2775,14 0,204
10 179,88 762,52 2014,59 2777,11 0,194
10,5 182,01 771,94 2007,00 2778,94 0,186
11 184,06 781,03 1999,62 2780,65 0,177
11,5 186,04 789,82 1992,43 2782,25 0,170
12 187,96 798,33 1985,41 2783,74 0,163
12,5 189,81 806,58 1978,56 2785,14 0,157
13 191,60 814,60 1971,86 2786,46 0,151
13,5 193,35 822,39 1965,30 2787,69 0,146
14 195,04 829,97 1958,88 2788,85 0,141
14,5 196,69 837,35 1952,58 2789,93 0,136
15 198,29 844,56 1946,40 2790,96 0,132
16 201,37 858,46 1934,36 2792,82 0,124
17 204,31 871,74 1922,72 2794,46 0,117
18 207,11 884,47 1911,43 2795,91 0,110
19 209,80 896,71 1900,47 2797,18 0,105
20 212,38 908,50 1889,79 2798,29 0,100
21 214,86 919,87 1879,39 2799,26 0,095
22 217,25 930,87 1869,23 2800,10 0,091
23 219,56 941,53 1859,29 2800,82 0,087
24 221,79 951,87 1849,56 2801,43 0,083
25 223,95 961,91 1840,03 2801,93 0,080
26 226,05 971,67 1830,67 2802,34 0,077
27 228,08 981,18 1821,48 2802,66 0,074
28 230,06 990,46 1812,45 2802,90 0,071
29 231,98 999,51 1803,56 2803,06 0,069
30 233,85 1008,34 1794,81 2803,15 0,067
31 235,68 1016,99 1786,19 2803,17 0,065
32 237,46 1025,44 1777,69 2803,13 0,062
33 239,20 1033,72 1769,30 2803,02 0,061
34 240,90 1041,84 1761,02 2802,86 0,059
35 242,56 1049,80 1752,85 2802,64 0,057
36 244,18 1057,61 1744,77 2802,38 0,055
37 245,77 1065,27 1736,78 2802,06 0,054
38 247,33 1072,81 1728,88 2801,69 0,052
39 248,86 1080,21 1721,07 2801,28 0,051
40 250,35 1087,49 1713,33 2800,82 0,050
42 253,26 1101,71 1698,08 2799,79 0,047
44 256,07 1115,50 1683,09 2798,60 0,045
46 258,78 1128,90 1668,36 2797,26 0,043
48 261,40 1141,94 1653,86 2795,80 0,041
50 263,94 1154,64 1639,56 2794,21 0,039
52 266,40 1167,04 1625,46 2792,50 0,038
54 268,79 1179,14 1611,53 2790,67 0,036
56 271,12 1190,98 1597,76 2788,75 0,035
58 273,38 1202,57 1584,15 2786,72 0,034
60 275,58 1213,92 1570,67 2784,59 0,032
62 277,73 1225,06 1557,31 2782,37 0,031
64 279,83 1235,99 1544,07 2780,06 0,030
66 281,87 1246,72 1530,94 2777,67 0,029
68 283,87 1257,28 1517,91 2775,19 0,028
70 285,83 1267,66 1504,97 2772,63 0,027
72 287,74 1277,88 1492,11 2769,99 0,027
74 289,61 1287,95 1479,33 2767,28 0,026
76 291,45 1297,87 1466,62 2764,49 0,025
78 293,25 1307,65 1453,97 2761,62 0,024
80 295,01 1317,31 1441,37 2758,68 0,024
82 296,74 1326,84 1428,83 2755,67 0,023
84 298,43 1336,26 1416,33 2752,60 0,022
86 300,10 1345,57 1403,88 2749,45 0,022
88 301,74 1354,77 1391,46 2746,23 0,021
90 303,34 1363,87 1379,07 2742,94 0,020
95 307,25 1386,23 1348,20 2734,43 0,019
100 311,00 1408,06 1317,43 2725,49 0,018
105 314,60 1429,45 1286,68 2716,13 0,017
110 318,08 1450,44 1255,90 2706,35 0,016
115 321,43 1471,10 1225,03 2696,12 0,015
120 324,68 1491,46 1193,99 2685,45 0,014
125 327,81 1511,58 1162,72 2674,31 0,013
130 330,85 1531,51 1131,17 2662,68 0,013
135 333,80 1551,29 1099,25 2650,54 0,012
140 336,67 1570,96 1066,90 2637,86 0,011
145 339,45 1590,58 1034,01 2624,59 0,011
150 342,16 1610,20 1000,50 2610,70 0,010
155 344,79 1629,88 966,24 2596,12 0,010
160 347,35 1649,69 931,10 2580,79 0,009
170 352,29 1690,03 857,47 2547,50 0,008
180 356,99 1732,09 777,74 2509,83 0,008
190 361,47 1777,15 688,85 2466,01 0,007
200 365,75 1827,21 585,13 2412,35 0,006
210 369,83 1887,56 451,04 2338,59 0,005
220 373,71 2011,34 161,75 2173,09 0,004
220,64 373,95 2084,26 0,00 2084,26 0,003


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