Systèmes de vapeur et de condensat

Introduction au circuit vapeur-condensat

Le circuit vapeur-condensat est le cœur de tout système de chauffage industriel ou institutionnel utilisant la vapeur comme fluide caloporteur. En tant que steamfitter-pipefitter, vous devez maîtriser non seulement l'installation physique des tuyauteries, mais aussi la physique de la vapeur, le comportement du condensat et les dispositifs qui assurent le fonctionnement sûr et efficace du système.

La vapeur est produite dans une chaudière, transportée par des conduites sous pression, puis distribuée aux appareils d'utilisation (échangeurs, serpentins, réchauffeurs). Après avoir cédé sa chaleur latente, la vapeur se condense en eau — le condensat — qui doit être évacué rapidement et retourné à la chaudière. Un système mal conçu ou mal entretenu entraîne des coups de bélier, de la corrosion, des pertes d'énergie et des risques pour la sécurité.

Propriétés thermodynamiques de la vapeur

Vapeur saturée vs vapeur surchauffée

La vapeur saturée est à la température d'ébullition correspondant à sa pression. Elle contient la quantité maximale d'énergie latente utilisable pour le transfert de chaleur. C'est la vapeur la plus couramment utilisée dans les systèmes de chauffage.

La vapeur surchauffée est chauffée au-delà de sa température de saturation à pression constante. Elle est utilisée dans les turbines ou les procédés spécifiques, mais elle est moins efficace pour le chauffage direct car elle cède d'abord sa chaleur sensible avant de condenser.

Relation pression-température

Pour la vapeur saturée, chaque pression correspond à une température unique. Cette relation est fondamentale :

Pression manométrique (kPa)	Température de saturation (°C)	Chaleur latente (kJ/kg)
0 (atmosphérique)	100	2257
100	120	2202
200	134	2164
400	152	2108
700	170	2049
1000	184	1999
1700	204	1916

Règle pratique : pour chaque augmentation de pression de 100 kPa (1 bar), la température de saturation augmente d'environ 10 à 15 °C, cette augmentation diminuant à mesure que la pression monte.

Chaleur sensible, latente et totale

Chaleur sensible : énergie nécessaire pour élever la température de l'eau de 0 °C à la température de saturation.

Chaleur latente : énergie absorbée lors du changement de phase liquide → vapeur, sans changement de température. C'est cette énergie qui est restituée lors de la condensation.

Chaleur totale (enthalpie) : somme de la chaleur sensible et de la chaleur latente.

La vapeur sèche ne contient aucune gouttelette d'eau. La vapeur humide contient un pourcentage d'humidité (titre de vapeur). Un titre de vapeur de 0,95 signifie que 95 % de la masse est vapeur et 5 % est eau liquide. La vapeur humide transporte moins d'énergie latente et peut causer de l'érosion dans les tuyauteries.

Composants d'un système vapeur-condensat

Tuyauterie de vapeur

Les conduites de vapeur sont généralement en acier au carbone (ASTM A53, A106) pour les pressions élevées, ou en fonte pour les basses pressions. Le choix du diamètre dépend de la vitesse de la vapeur, de la chute de pression admissible et du débit massique.

Vitesses recommandées :

Vapeur saturée basse pression : 20 à 30 m/s

Vapeur saturée haute pression : 30 à 50 m/s

Vapeur surchauffée : 50 à 75 m/s

La tuyauterie doit être inclinée dans le sens de l'écoulement (pente minimale de 1 % ou 10 mm/m) pour favoriser le drainage du condensat vers les points de purge.

Purgeurs de vapeur (steam traps)

Le purgeur de vapeur est un dispositif automatique qui évacue le condensat et l'air tout en retenant la vapeur. C'est l'élément le plus critique du système. Les principaux types sont :

Type	Principe de fonctionnement	Applications typiques
Thermodynamique (à disque)	La vapeur ferme le disque par pression dynamique	Lignes principales, traçage
Thermostatique (à soufflet)	Réagit à la différence de température	Échangeurs, serpentins
à Flotteur (mécanique)	Flotteur actionne la vanne selon le niveau	Débits continus, gros volumes
à Inverseur de godet (bucket)	Godet inversé, purge continue	Procédés industriels

Critères de sélection : débit de condensat, pression disponible, contre-pression, résistance aux coups de bélier, tolérance au gel.

Séparateurs et filtres

Le séparateur élimine les gouttelettes d'eau entraînées dans la vapeur. Il est installé sur les lignes principales, avant les appareils sensibles. Le filtre à vapeur (Y-strainer) protège les purgeurs et les vannes contre les particules solides (calamine, soudure, rouille).

Vannes de contrôle et régulation

Les vannes de contrôle modulent le débit de vapeur vers les appareils. Elles sont actionnées par des actuateurs pneumatiques ou électriques, commandés par des contrôleurs de température ou de pression. Les vannes à siège simple sont les plus courantes pour la régulation.

Retour de condensat

Le condensat est un fluide à haute valeur énergétique (environ 25 % de l'énergie de la vapeur). Il doit être retourné à la chaudière pour économiser l'eau traitée, les produits chimiques et le carburant. Le retour peut se faire par :

Gravité : le condensat s'écoule naturellement vers le réservoir de récupération.

Pompe à condensat : utilisée lorsque le point de retour est plus élevé ou que la pression est insuffisante.

Pompe à vapeur (pompe à condensat à pression) : utilise la vapeur comme force motrice, sans électricité.

Dimensionnement des conduites de vapeur

Méthode de calcul

Le dimensionnement repose sur la chute de pression admissible et la vitesse maximale. La formule de base pour le débit massique est :

ṁ = ρ × A × V

Où :

ṁ = débit massique (kg/s)

ρ = masse volumique de la vapeur (kg/m³)

A = section transversale de la conduite (m²)

V = vitesse (m/s)

La masse volumique de la vapeur saturée dépend de la pression. À 700 kPa, ρ ≈ 3,67 kg/m³ ; à 1000 kPa, ρ ≈ 5,15 kg/m³.

Chute de pression

La chute de pression totale ne doit pas dépasser 5 à 10 % de la pression initiale pour les lignes principales. Une chute excessive réduit la température de saturation disponible aux appareils et peut causer une insuffisance de débit.

Facteurs influençant la chute de pression :

Longueur équivalente (longueur réelle + longueurs équivalentes des raccords et vannes)

Diamètre intérieur

Rugosité de la paroi (acier commercial : 0,045 mm)

Débit massique

Pression et température de la vapeur

Longueur équivalente des raccords

Raccord	Longueur équivalente (en diamètres)
Coude 90°	30 D
Coude 45°	16 D
Té (passage direct)	20 D
Té (dérivation)	60 D
Vanne à soupape (globe)	340 D
Vanne à opercule (gate)	13 D
Vanne papillon	40 D

Exemple : une conduite de 100 mm avec 5 coudes 90° et 2 vannes à opercule aura une longueur équivalente supplémentaire de (5 × 30 × 0,1) + (2 × 13 × 0,1) = 15 + 2,6 = 17,6 m.

Coups de bélier (water hammer)

Le coup de bélier est le phénomène le plus dangereux dans les systèmes vapeur. Il se produit lorsque de l'eau condensée est entraînée par la vapeur à grande vitesse et frappe un obstacle (vanne, coude, purgeur). L'impact peut atteindre des pressions de plusieurs centaines de kPa, causant des ruptures de tuyauterie, des dommages aux supports et des blessures graves.

Causes principales

68.Condensat stagnant dans une conduite horizontale non inclinée ou mal purgée.

69.Purgeurs défaillants ou sous-dimensionnés.

70.Démarrage à froid : la vapeur entre dans une conduite froide, se condense massivement, créant un volume d'eau important.

71.Vanage rapide : ouverture brutale d'une vanne de contrôle.

Prévention

Inclinaison minimale de 1 % dans le sens de l'écoulement.

Purgeurs à intervalles réguliers (tous les 30 à 50 m sur les lignes principales).

Démarrage progressif : ouvrir lentement les vannes, purger l'air et le condensat avant la mise en service complète.

Installation de séparateurs aux points bas et avant les vannes de contrôle.

Utilisation de conduites de by-pass avec purgeurs pour le préchauffage.

Purge d'air et démarrage du système

L'air dans les conduites de vapeur est un isolant qui empêche le transfert de chaleur et réduit la pression partielle de la vapeur. Il doit être évacué au démarrage et en continu.

Points de purge d'air

Aux points hauts des conduites

Aux extrémités des collecteurs

Avant les échangeurs et les serpentins

Aux purgeurs thermostatiques (qui laissent passer l'air)

Procédure de démarrage

87.Vérifier que toutes les vannes de drainage sont ouvertes.

88.Ouvrir lentement la vanne principale de vapeur (1/4 de tour, attendre, puis continuer).

89.Laisser la vapeur chasser l'air et le condensat par les purgeurs et les évents.

90.Fermer les évents manuels lorsque la vapeur commence à en sortir (vapeur visible ou sifflement caractéristique).

91.Augmenter progressivement l'ouverture de la vanne jusqu'à pleine pression.

92.Vérifier le fonctionnement des purgeurs et l'absence de coups de bélier.

Codes et normes applicables

Code canadien de la construction (CNB)

Le Code national du bâtiment du Canada (CNB) régit les installations de tuyauterie dans les bâtiments, incluant les systèmes de vapeur. Les sections pertinentes traitent de la protection contre les incendies, des dégagements et des matériaux.

CSA B51 - Code sur les chaudières et les récipients sous pression

La norme CSA B51 (Chaudières, récipients sous pression et tuyauteries sous pression) est la référence principale pour la conception, la fabrication et l'inspection des systèmes sous pression. Elle adopte les règles de l'ASME Boiler and Pressure Vessel Code (Section I pour les chaudières, Section VIII pour les récipients) et de l'ASME B31.1 (Power Piping) ou B31.3 (Process Piping).

CSA B149.1 - Code sur le gaz naturel et le propane

Le CSA B149.1 s'applique aux systèmes de combustion, y compris les brûleurs des chaudières à vapeur. Les règles 6-200 à 6-230 traitent des installations de brûleurs, des cheminées et de la ventilation.

Règles clés pour le steamfitter

Règle CSA B51-19, clause 4.1.2 : toute tuyauterie sous pression doit être conçue et installée conformément à l'ASME B31.1 ou B31.3.

ASME B31.1, clause 122.1 : les supports de tuyauterie doivent être espacés selon le tableau des portées maximales.

ASME B31.1, clause 124.1 : la tuyauterie doit être protégée contre la corrosion externe et interne.

CNB, article 3.2.5.13 : les tuyauteries de vapeur doivent être isolées thermiquement lorsqu'elles traversent des espaces occupés.

Isolation thermique et protection

L'isolation des conduites de vapeur sert à :

Réduire les pertes de chaleur (efficacité énergétique)

Protéger le personnel contre les brûlures (température de surface ≤ 60 °C)

Prévenir la condensation dans les espaces non chauffés

Matériaux d'isolation courants

Matériau	Température max (°C)	Conductivité thermique (W/m·K)
Laine minérale	650	0,035 – 0,045
Laine de verre	540	0,030 – 0,040
Calcilicate de calcium	650	0,050 – 0,060
Perlite expansée	870	0,060 – 0,080
Mousse de verre	480	0,040 – 0,050

L'épaisseur d'isolation est déterminée par le calcul du point de rosée (prévention de la condensation) ou par l'analyse économique (épaisseur optimale minimisant le coût total sur la durée de vie).

Protection contre la corrosion

Le condensat est légèrement acide (pH 6,5 à 7,5) en raison du CO₂ dissous. La corrosion des conduites de retour est un problème majeur. Les mesures de protection incluent :

Traitement chimique de l'eau d'alimentation (amines neutralisantes)

Utilisation de matériaux résistants (acier inoxydable pour les retours critiques)

Élimination du CO₂ par dégazage thermique

Calculs pratiques pour l'examen

Calcul de la quantité de condensat produite

La quantité de condensat produite par un échangeur est égale à la quantité de vapeur condensée. Elle se calcule par :

ṁ_cond = Q / h_fg

Où :

ṁ_cond = débit de condensat (kg/s)

Q = puissance thermique échangée (kW)

h_fg = chaleur latente de vaporisation à la pression de service (kJ/kg)

Exemple : un échangeur de 500 kW fonctionnant à 700 kPa (h_fg = 2049 kJ/kg) produit :

ṁ_cond = 500 / 2049 = 0,244 kg/s = 878 kg/h

Dimensionnement d'un purgeur

Le débit de condensat à évacuer doit inclure un facteur de sécurité de 2 à 3 pour les démarrages à froid. Pour l'exemple ci-dessus, le purgeur doit être dimensionné pour 878 × 2,5 ≈ 2200 kg/h.

Calcul de la dilatation thermique

La dilatation linéaire d'une conduite en acier est :

ΔL = α × L × ΔT

Où :

ΔL = allongement (mm)

α = coefficient de dilatation de l'acier = 0,012 mm/(m·°C)

L = longueur de la conduite (m)

ΔT = différence de température (°C)

Exemple : une conduite de 30 m passant de 20 °C à 170 °C :

ΔL = 0,012 × 30 × 150 = 54 mm

Cette dilatation doit être absorbée par des boucles de dilatation, des compensateurs ou des supports guidés correctement positionnés.

Mise en service et essais

Essai de pression

Avant la mise en service, la tuyauterie de vapeur doit subir un essai hydrostatique à 1,5 fois la pression de service (minimum 150 % de la pression maximale admissible). La pression est maintenue pendant au moins 10 minutes, puis inspectée pour détecter les fuites.

Essai de vapeur

Après l'essai hydrostatique, un essai à la vapeur est effectué pour vérifier :

L'étanchéité des joints sous conditions de service

Le fonctionnement des purgeurs

L'absence de coups de bélier

La dilatation libre des conduites

Documentation requise

Certificats des matériaux (mill test reports)

Rapports de soudage et qualifications des soudeurs

Résultats des essais de pression

Plans d'installation (as-built)

Efficacité énergétique et récupération

Récupération du condensat

Chaque kilogramme de condensat retourné à la chaudière économise :

L'énergie nécessaire pour chauffer l'eau d'appoint de 10 °C à 90 °C (environ 335 kJ/kg)

L'eau traitée et les produits chimiques

Les coûts de traitement des eaux usées

Flash steam

Le flash steam (vapeur flash) est produit lorsque du condensat à haute pression est déchargé dans un réservoir à plus basse pression. La quantité de vapeur flash est :

% flash = (h₁ - h₂) / h_fg₂ × 100

Où :

h₁ = enthalpie du condensat à la pression haute

h₂ = enthalpie du condensat à la pression basse

h_fg₂ = chaleur latente à la pression basse

Exemple : condensat à 1000 kPa (h = 782 kJ/kg) déchargé à 100 kPa (h = 505 kJ/kg, h_fg = 2202 kJ/kg) :

% flash = (782 - 505) / 2202 × 100 = 12,6 %

Cette vapeur flash peut être récupérée dans un réservoir de flash et utilisée pour le préchauffage ou le traçage.

Pièges à éviter

178.Confondre pression manométrique et pression absolue : les tables de vapeur utilisent la pression absolue ; les manomètres indiquent la pression manométrique. P_abs = P_mano + 101,3 kPa.

179.Oublier le facteur de sécurité des purgeurs : dimensionner un purgeur pour le débit nominal sans tenir compte du démarrage à froid (facteur 2 à 3).

180.Négliger la purge d'air : l'air dans le système réduit la température de saturation et fausse les lectures de pression.

181.Installer un purgeur sans filtre en amont : les particules obstruent rapidement le siège du purgeur.

182.Ignorer la dilatation thermique : une conduite de 50 m avec ΔT de 150 °C s'allonge de 90 mm ; sans compensation, les supports et les raccords sont surchargés.

183.Utiliser la vapeur surchauffée pour le chauffage direct : elle est moins efficace et peut endommager les échangeurs.

184.Placer les purgeurs aux points hauts : le condensat s'accumule aux points bas, c'est là que les purgeurs doivent être installés.

185.Oublier le by-pass autour des purgeurs : indispensable pour la maintenance sans arrêt du système.

186.Confondre les longueurs équivalentes : les valeurs du tableau sont en diamètres de conduite, pas en mètres.

187.Négliger la contre-pression : un purgeur doit vaincre la pression dans la ligne de retour ; une contre-pression excessive réduit le débit.

Résumé

La vapeur saturée est le fluide de travail standard ; chaque pression correspond à une température unique.

Le circuit complet comprend : chaudière → ligne principale → appareils → purgeurs → retour de condensat → réservoir → pompe → chaudière.

Les purgeurs sont classés en quatre familles : thermodynamiques, thermostatiques, mécaniques (flotteur, godet inversé).

Le coup de bélier est causé par le condensat entraîné ; il se prévient par l'inclinaison, la purge et le démarrage progressif.

Le dimensionnement des conduites repose sur la vitesse maximale et la chute de pression admissible (5-10 %).

La dilatation thermique de l'acier est de 0,012 mm/(m·°C) ; elle doit être compensée par des boucles ou compensateurs.

Les codes applicables sont le CNB, la CSA B51, l'ASME B31.1/B31.3 et la CSA B149.1 pour les brûleurs.

L'essai hydrostatique se fait à 1,5 fois la pression de service.

La récupération du condensat et du flash steam est essentielle pour l'efficacité énergétique.

Les calculs clés : débit de condensat (Q/h_fg), dilatation (α×L×ΔT), pourcentage de flash ((h₁-h₂)/h_fg₂).

Questions d'auto-évaluation

202.Quelle est la température de saturation de la vapeur à 700 kPa manométrique ?

203.Quel type de purgeur est le plus approprié pour un débit continu de gros volume ?

204.Quelle pente minimale doit avoir une conduite de vapeur horizontale ?

205.Calculez la dilatation d'une conduite de 40 m en acier, de 15 °C à 184 °C.

206.Quel est le facteur de sécurité recommandé pour le dimensionnement d'un purgeur ?

207.À quelle pression l'essai hydrostatique doit-il être effectué ?

208.Quelle est la vitesse maximale recommandée pour la vapeur saturée basse pression ?

209.Pourquoi l'air doit-il être purgé des conduites de vapeur ?

210.Quel est le pourcentage de flash si du condensat à 1700 kPa est déchargé à 100 kPa ?

211.Quelle norme canadienne régit les chaudières et récipients sous pression ?

(Réponses : 1. 170 °C ; 2. Purgeur à flotteur ; 3. 1 % (10 mm/m) ; 4. 0,012 × 40 × 169 = 81 mm ; 5. 2 à 3 ; 6. 1,5 × pression de service ; 7. 20 à 30 m/s ; 8. L'air est un isolant et réduit la pression partielle de vapeur ; 9. (879 - 505)/2202 × 100 = 17 % ; 10. CSA B51)

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