Comment fonctionne une pompe de condenseur ?

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Lors du pompage de la vapeur d'eau dans une grande installation industrielle, une certaine quantité d'air est toujours impliquée ; elle est contenue dans la vapeur ou provient de fuites dans l'installation (les considérations suivantes pour l'air et la vapeur d'eau s'appliquent évidemment aussi aux vapeurs autres que la vapeur d'eau, en général). Par conséquent, le condenseur doit être soutenu par une pompe à lest d'air (voir Fig. 2.41) et fonctionne donc toujours, comme la pompe Roots, conjointement. La pompe à lest d'air a pour fonction de pomper la fraction d'air, qui ne représente souvent qu'une petite partie du mélange eau-vapeur concerné, sans pomper simultanément une grande quantité de vapeur d'eau. Il est donc compréhensible que, dans la combinaison du condenseur et de la pompe à lest d'air à l'état stationnaire, les rapports d'écoulement qui se produisent dans la zone de vide grossier ne puissent pas être facilement évalués sans autre considération. La simple application de l'équation de continuité n'est pas suffisante, car il n'est plus question d'un champ d'écoulement sans source ni dissipateur (le condenseur est, sur la base des procédés de condensation, un dissipateur). Ceci est particulièrement souligné à ce stade. Dans un cas pratique de « dysfonctionnement » de la combinaison condenseur-pompe à lest d'air, il pourrait être injustifié d'attribuer la panne au condenseur.

Fig. 2.41 Condenseur (I) avec pompe à lest d'air en aval (II) pour le pompage de grandes quantités de vapeur d'eau dans la plage de vide grossier (III) - étranglement réglable.

Entrée du condenseur
Décharge du condenseur
Voir le texte

Applications d'une pompe de condenseur

Pour pomper de plus grandes quantités de vapeur d'eau, le condenseur est la pompe la plus économique. En règle générale, le condenseur est refroidi avec de l'eau dont la température est telle que la température du condenseur est suffisamment inférieure au point de rosée de la vapeur d'eau et qu'une condensation ou un pompage économique est garanti. Toutefois, pour le refroidissement, on peut également utiliser des fluides tels que la saumure et les réfrigérants (NH₃, fréon).

Combinaison avec un lest d'air

Lors du dimensionnement de la combinaison condenseur et pompe à lest d'air, les points suivants doivent être pris en compte :
a) la fraction de gaz permanents (air) pompée en même temps que la vapeur d'eau ne doit pas être trop importante. A des pressions partielles d'air supérieures à environ 5 % de la pression totale à la sortie du condenseur, une accumulation marquée d'air se produit devant les surfaces du condenseur. Le condenseur ne peut alors pas atteindre sa pleine capacité (voir également l'exposé à la page Pompage des gaz (procédé humide) sur le pompage simultané de gaz et de vapeurs).

b) la pression de la vapeur d'eau à la sortie du condenseur - c'est-à-dire du côté de l'entrée de la pompe à lest d'air - ne doit pas (lorsque la quantité de gaz permanent décrite plus en détail à la page Pompage des gaz (procédé humide) n'est pas pompée simultanément) être supérieure à la tolérance à la vapeur d'eau de la pompe à lest d'air concernée. Si - ce qui ne peut pas toujours être évité dans la pratique - une pression partielle de vapeur d'eau plus élevée est attendue à la sortie du condenseur, il est pratique d'insérer un dispositif d'étranglement entre la sortie du condenseur et l'orifice d'entrée de la pompe à lest d'air. La conductance de ce dispositif d'étranglement doit être variable et régulée (voir la page : Calcul de la conductance) de sorte que, en cas d'étranglement complet, la pression au niveau de l'orifice d'entrée de la pompe à lest d'air ne puisse pas dépasser la tolérance à la vapeur d'eau. En outre, l'utilisation d'autres réfrigérants ou une diminution de la température de l'eau de refroidissement peut souvent permettre à la pression de vapeur d'eau de chuter sous la valeur requise.

Pour procéder à l'évaluation mathématique de la combinaison du condenseur et de la pompe à lest d'air, on peut supposer qu'aucune perte de pression ne se produit dans le condenseur et que la pression totale à l'entrée du condenseur p _tot 1 est égale à la pression totale à la sortie du condenseur p _tot 2 (2.23)

(2.23)

P_tot1= p_tot2

La pression totale est constituée de la somme des portions de pression partielle de l'air pp et de la vapeur d'eau pv : (2.23a)

(2.23a)

pp1 + pv1 = pp2 + pv2

Suite à l'action du condenseur, la pression de vapeur d'eau p_D2 à la sortie du condenseur est toujours inférieure à celle à l'entrée ; pour que l'équation (2.23) se réalise, la pression partielle de l'air p_p2 à la sortie doit être supérieure à celle à l'entrée p_p1 (voir Fig. 2.43), même en l'absence de dispositif d'étranglement.

Fig. 2.43 Représentation schématique de la répartition de la pression dans le condenseur. Les lignes continues correspondent aux conditions d'un condenseur dans lequel une faible perte de charge a lieu (ptot 2 < ptot 1).

Les lignes pointillées sont celles d'un condenseur idéal (p_tot 2 ≈ p_tot 1). p_D : pression partielle de la vapeur d'eau, p_L : pression partielle de l'air.

Entrée du condenseur
Sortie du condenseur

La pression partielle de l'air p_p2 plus élevée à la sortie du condenseur est produite par une accumulation d'air qui, tant qu'elle est présente à la sortie, entraîne un équilibre d'écoulement stationnaire. A partir de cette accumulation d'air, la pompe à lest d'air (finalement étranglée) en équilibre élimine juste ce qui s'écoule de l'entrée (1) à travers le condenseur.

Calcul de la taille du condenseur et du lest d'air

Tous les calculs sont basés sur l'équation (2.23a) pour laquelle, cependant, des informations sur la quantité de vapeurs et de gaz permanents pompés, la composition et la pression doivent être disponibles. La taille du condenseur et de la pompe à lest d'air peut être calculée, ces deux quantités n'étant en effet pas indépendantes l'une de l'autre. La Fig. 2.42 représente le résultat d'un tel calcul comme exemple d'un condenseur présentant une surface de condensation de 1 m² et à une pression d'entrée p_v1 de 40 mbar, une capacité de condensation de 15 kg (33 lbs)/h de vapeur d'eau pure si la fraction des gaz permanents est très faible. 1 m³ d'eau de refroidissement est utilisé par heure, à une surpression de ligne de 3 bar et à une température de 12 °C (53,6 °F). La vitesse de pompage nécessaire de la pompe à lest d'air dépend des conditions de fonctionnement existantes, en particulier de la taille du condenseur. En fonction de l'efficacité du condenseur, la pression partielle de vapeur d'eau p_v2 se situe plus ou moins au-dessus de la pression de saturation pS qui correspond à la température du réfrigérant. (En refroidissant avec de l'eau à 12 °C (53,6 °F), p_S serait de 15 mbar (reportez-vous au tableau XIII de la Section 9).) En conséquence, la pression partielle d'air pp2 qui prévaut à la sortie du condenseur varie également. Avec un grand condenseur, p_v2 ≈ p_S, la pression partielle d'air pp,₂ est donc importante et, comme pp · V = const, le volume d'air impliqué est faible. Par conséquent, seule une pompe à lest d'air relativement petite est nécessaire. Cependant, si le condenseur est petit, le cas inverse se présente : p_v2 > p_S · p_p2, est faible. Dans ce cas, une pompe à lest d'air relativement grande est nécessaire. Etant donné que la quantité d'air impliquée dans un procédé de pompage utilisant des condenseurs n'est pas nécessairement constante, mais alterne dans des limites plus ou moins larges, les considérations à prendre en compte sont plus difficiles. Il est donc nécessaire que la vitesse de pompage de la pompe à lest d'air effective au niveau du condenseur puisse être régulée dans certaines limites.

Fig. 2.42 Capacité de condensation du condenseur (surface disponible pour la condensation 1 m2) en fonction de la pression d'admission pD1 de la vapeur d'eau. Courbe a : Température de l'eau de refroidissement 12 °C (53,6 °F). Courbe b : température de 25 °C (77 °F). Consommation dans les deux cas 1 m3/h à une surpression de 3 bar.

Tableau XIII Pression de saturation ps et densité de vapeur eD de l'eau dans une plage de température allant de -100 °C (-148 °F) à +140 °C (+284 °F)

Considérations pratiques relatives à l'utilisation d'un condenseur

Dans la pratique, les mesures suivantes sont habituelles :

a) Une section d'étranglement est placée entre la pompe à lest d'air et le condenseur, qui peut être court-circuitée en cas de pompage grossier. La résistance à l'écoulement de la section d'étranglement doit être réglable pour que la vitesse effective de la pompe puisse être réduite à la valeur requise. Cette valeur peut être calculée à l'aide des équations données à la page Pompage des gaz (procédé humide).

b) A côté de la grande pompe destinée au pompage grossier, une pompe de maintien à faible vitesse dont la taille correspond à la quantité minimale de gaz en circulation est installée. L'objectif de cette pompe de maintien est simplement de maintenir une pression de fonctionnement optimale pendant le procédé.

c) La quantité d'air nécessaire est admise dans la conduite d'entrée de la pompe via une vanne à fuite variable. Cette quantité d'air supplémentaire agit comme un lest d'air agrandi, augmentant la tolérance à la vapeur d'eau de la pompe. Cependant, cette mesure entraîne généralement une réduction de la capacité du condenseur. En outre, la quantité d'air supplémentaire admise entraîne une consommation d'énergie supplémentaire et une consommation d'huile accrue. Comme l'efficacité du condenseur se détériore avec une pression partielle d'air trop importante dans le condenseur, l'admission d'air ne doit pas se trouver devant, mais généralement uniquement derrière le condenseur.

Si le temps de démarrage d'un procédé est plus court que le temps de fonctionnement total, on utilise techniquement la méthode la plus simple : la pompe de prévidage et de maintien. Les procédés dont les conditions varient fortement nécessitent une section d'étranglement réglable et, si nécessaire, une admission d'air réglable.
Du côté de l'entrée de la pompe à lest d'air, une pression partielle de vapeur d'eau p_v2 est toujours présente ; elle est au moins aussi importante que la pression de vapeur de saturation de l'eau à la température du fluide de refroidissement. Dans la pratique, ce cas idéal n'est réalisable qu'avec un très grand condenseur (voir ci-dessus).

Principes de fonctionnement

En vue de la pratique et d'après les règles fondamentales énoncées, prenons en compte les deux cas suivants :

Pompage de gaz permanents avec de petites quantités de vapeur d'eau. Dans ce cas, la taille de la combinaison condenseur-pompe à lest d'air est déterminée en fonction de la quantité de gaz permanents pompée. La fonction du condenseur consiste simplement à réduire la pression de vapeur d'eau au niveau de l'orifice d'entrée de la pompe à lest d'air à une valeur inférieure à la tolérance à la vapeur d'eau.
Pompage de vapeur d'eau avec de petites quantités de gaz permanents. Dans ce cas, pour rendre le condenseur très efficace, on recherche la pression partielle des gaz permanents la plus faible possible dans le condenseur. Même si la pression partielle de vapeur d'eau dans le condenseur doit être supérieure à la tolérance à la vapeur d'eau de la pompe à lest d'air, une pompe à lest d'air relativement petite est, en général, suffisante avec le dispositif d'étranglement alors nécessaire pour pomper les gaz permanents en circulation.

Remarque importante : pendant le procédé, si la pression dans le condenseur chute sous la pression de vapeur de saturation des condensats (en fonction de la température de l'eau de refroidissement), le condenseur doit être bloqué ou les condensats collectés doivent au moins être isolés. Si cela n'est pas fait, la pompe à lest d'air pompera à nouveau la vapeur précédemment condensée dans le condenseur

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