Les dEbitmEtres vapeur aident A comprimer le prix du produit fini

la surveillance prEcise de la vapeur vous Economise Energie et frais d’entretien

Avec Industrie 4.0, les possibilités de suivi de toute la consommation d’énergie interne ne cessent d’augmenter et ici et là, des entreprises plus grandes (et plus petites) ont déjà initié la tendance de la surveillance en temps réel. Une source d’énergie semble toutefois quelque peu négligée: la vapeur. Via l’installation de débitmètres vapeur à des endroits stratégiques, une entreprise peut néanmoins réaliser pas mal d’économies et nous ne parlons pas seulement des coûts de la vapeur qui s’échappe par des fuites. Nous examinons la valeur ajoutée de la plupart des types de débitmètres utilisés et étudions leur fonctionnement.

Accent sur l’efficacitE EnergEtique

Depuis la convention énergétique de 2015, les entreprises à forte intensité énergétique sont incitées à devenir des exemples d’effi­cacité énergétique. Si les conséquences climatiques néfastes d’une trop grande émission de CO₂ n’incitent pas spontanément une entreprise à utiliser l’énergie de façon économique, les prix croissants de l’énergie le font bel et bien en tout cas.

La recherche de l’efficacité énergétique date déjà de bien avant la convention citée. Des composants de processus sont conçus de manière à transmettre leur énergie thermique de façon optimale. Les entreprises sont également familiarisées depuis plus longtemps avec la pratique de la cogénération et autres techniques de récupération de l’énergie via des échangeurs de chaleur pour p.ex. le chauffage de leurs bâtiments, l’eau de processus, ... Pour ter­miner, des instruments de mesure sont utilisés de façon croissante pour suivre de près chaque consommation (eau, gaz, électricité) et l’ajuster immédiatement, si possible de façon automatique.

La vapeur oubliée?

En ce qui concerne ces mesures, une forme d’énergie semble un peu oubliée: la vapeur. La plupart des entreprises alimentaires qui, en plus de compteurs d’eau et de gaz, ont installé des débitmètres vapeur, semblent se limiter à un seul exemplaire, que l’on trouve habituellement au début du processus de production de vapeur. Le reste du réseau de conduites de vapeur reste sans surveillance.

Importance des mesures de dEbit de vapeur

Entreprendre une action sur l’efficacité du réseau d’installation de vapeur débute par l’étude du réseau existant, à commencer par une estimation des coûts de la vapeur générée. C’est là que le bât blesse pour bon nombre d’entreprises alimentaires: la plupart n’ont pas de vision claire de leur consommation de vapeur. Alors qu’elles contrôlent tous les milieux primaires achetés (huile, eau, gaz) lors de la livraison pour être certain que ce qui a été proposé, correspond à ce qui est facturé, ceci est nettement moins le cas pour la vapeur, parce qu’elles la créent elles-mêmes. De nombreuses entreprises déduisent leur consommation de vapeur de la quantité de combustible (huile, gaz) pour la production de vapeur, bien qu’il n’existe naturellement pas de relation un-pour-un et que des pertes se produisent toujours. Sur la base de cette consommation supposée, les entreprises comptabilisent inutilement des frais plus élevés dans leur prix final.

Sur la base d’une consommation de vapeur supposee, les entreprises comptabilisent inutilement des couts plus eleves dans leur prix final

Déceler les pertes

Lorsque la consommation de vapeur n’est pas ou pas assez contrôlée, on ne s’étonnera pas de noter des pertes considérables dans les audits d’énergie. Celles-ci résultent de vices cachés. Ainsi, la consommation peut être in­utilement élevée sur certains points du réseau de conduites de vapeur. Si des fuites aux brides, conduites ou spots de condensation sont bel et bien décelées, on n’a dans bien des cas aucune idée de l’ampleur de la fuite en question et du coût pour l’entreprise. La perte d’énergie peut aussi se manifester autrement, comme par une isolation insuffisante ou défaillante, par exemple quand la pluie tombe sur les manteaux d’isolation autour des conduites de vapeur qui circulent à l’extérieur d’un hall à un autre. En effet, une isolation humide perd en partie ou entièrement sa propriété isolante. Dans la chaudière à vapeur, le dépôt calcaire sur la surface de combustion diminue le transfert thermique et donc le rendement de la chaudière.

En présence de spots de condensation, l‘eau peut stagner dans les points situés plus bas du système de vapeur, par exemple à hauteur des tubes des échangeurs de chaleur, ce qui y menace aussi l’échange de chaleur. Il se peut ainsi qu’un fabricant n’ait plus de prise sur la température du processus de production. Quand la température excède la tolérance, des séries de produits complètes doivent être traitées à nouveau.

Sécurité

Les conséquences de l’absence de suivi peuvent même être plus drastiques. Lors du processus de distribution de vapeur, le condensat aboutit après le spot de condensation dans une conduite de condensat, où règne en général une pression plus faible que dans le réseau de vapeur, qui crée un mélange de condensat liquide et de vapeur flash. Lorsqu’un condensat surfondu (con­densat liquide ayant une température nettement sous le point d’ébullition) est acheminé dans cette conduite d’un autre consommateur, la vapeur flash présente se condense dans la conduite, le volume de cette vapeur devenant brusquement des centaines de fois plus petit. A cause de la dépression, du condensat arrive de tous côtés, ce qui crée un coup de pression audible. Ce ‘coup de bélier thermique’ peut endommager les brides, joints et raccords, et les tubes des échangeurs de chaleur. Lorsqu’un bout de conduite saute effectivement à cause du coup de bélier thermique à proximité de membres du personnel, il se peut toutefois que les dégâts matériels soient le moindre de vos soucis. Car les collaborateurs peuvent subir de sérieuses blessures.

La mesure du dEbit de vapeur offre une valeur ajoutEe

Plus d’approximations

Les débitmètres à des endroits stratégiques dans le réseau de conduites de vapeur aident à garder une vue sur la consommation de vapeur locale et globale. Pour certains processus, la livraison précise de vapeur est du reste nécessaire pour la qualité de produit postulée. Par exemple dans la production de pâtes, des quantités d’humidité précises sont nécessaires pour donner au produit fini la consistance souhaitée. Si une telle entreprise travaille sans débitmètres vapeur, tout repose sur les épaules des opérateurs qui doivent sentir dans quelle mesure ils doivent tourner les boutons pour un type de farine. Mais quid si ces travailleurs expérimentés quittent l’entreprise? Grâce aux débitmètres vapeur, les opérateurs peuvent, comme dans l’exemple évoqué, oublier les approximations et se fier aux informations présentées pour l’ajustement précis. Les débitmètres vapeur sont en fait utilisés pour piloter les vannes de réglage.

Entretien prédictif

Traditionnellement, l’étalonnage des débitmètres peut déjà prendre pas mal de temps, avec comme conséquence un sérieux arrêt de production. A l’heure actuelle, il est toutefois possible de laisser exécuter par les débitmètres un autodiagnostic constant à chaque point de mesure, avec comme conséquence moins de ré-étalonnages et d’arrêts. Les messages de diagnostic peuvent être accompagnés d’instructions d’entretien précises. Les résultats de test sont documentés et une procédure de test simple et accompagnée est générée automatiquement, conformément aux lois et normes en vigueur. Les données de processus et d’appareils offrent une compréhension des tendances, ce qui permet un entretien prédictif.

Des paramètres de processus et d’appareils combinés facilitent l’analyse pour une optimisation du processus. En association avec les valeurs sur, par exemple, les compteurs de gaz, les débitmètres vapeur aident à donner une réponse définitive à certaines questions. Un problème avec le ballon peut être décelé quand la consommation de gaz augmente sans une augmentation correspondante de la consommation de vapeur. Une fois que les défauts sont établis, on peut intervenir afin d’éviter des frais à la hausse.

Fonctions supplémentaires

On développe de plus en plus souvent des débitmètres vapeur qui ne mesurent pas que les débits de vapeur. Actuellement il existe aussi des débitmètres capables de détecter la présence de vapeur humide dans la conduite et d’aider ainsi à éviter les dégâts sur l’installation (corrosion, coup de bélier) et les produits.

Principes de mesure

Vortex

Le principe de mesure vortex fait partie des plus appliqués pour mesurer la vapeur dans l’industrie alimentaire. Sur un débitmètre vapeur, un obstacle non caréné au centre de la conduite provoque des tourbillons ou 'vortices' des deux côtés en aval de l’obstacle. Ceci crée des zones de pression plus élevée et plus basse. Un capteur mécanique avec cristal piézoélectrique enregistre avec précision les différences de pression, correspondant à la fréquence des tourbillons passants. La distance entre deux tourbillons consécutifs coïncide avec le volume de vapeur défini. Pour le débit total, on compte le nombre de tourbillons passants. Puis, on peut employer la pression et la température pour calculer le flux massique de vapeur.

Les débitmètres sont très fiables pour des mesures du débit de vapeur et ils ont une stabilité à très long terme. Les débitmètres vortex entraînent une chute de pression minimale et supportent de grandes pressions et températures, ce qui les rend très fiables. Comme c’est le cas avec toutes les technologies, il y a bien des limites dont il faut prendre compte quant au choix des instruments de mesure (débit mesurable minimal, des distances d’encastrement relativement longues, ...). Les débitmètres ont aussi une plage de mesure relativement limitée (inférieure à 15:1). La plage de mesure (turndown ratio) est le rapport du débit maximal par rapport au débit minimal pouvant être mesuré avec précision: TR = Q (max)/Q (min). La plage de mesure d’un débitmètre est le plus influencée par le ratio signal-bruit (puissance désirée signal/puissance du bruit) de l’appareil, déterminé par la dynamique du milieu (ici la vapeur) de la technologie de mesure du débit et par le type et la qualité du capteur. Les débitmètres vortex sont aussi très sensibles aux vibrations et coups de bélier, et exigent des distances d’encastrement relativement longues pour éviter que des obstructions dans la tuyauterie influencent les courants de Foucault (et ainsi la précision de mesure). Concrètement, ces distances sont ici DN 15 à 25 en amont du débitmètre, et DN 7 à 10 en aval (DN ou Diamètre Nominal renvoie au diamètre interne de la conduite).

Différence de pression

Les voludéprimomètres ou débitmètres DP (‘Differential Pressure’) constituent à ce jour la méthode de mesure de débit la plus étudiée et la mieux comprise. Ils mesurent la pression des deux côtés d’un obstacle (‘élément primaire’) dans la conduite. La vitesse du courant de vapeur est proportionnelle au carré de la perte de pression sur cet obstacle. Sur le type avec comme élément primaire une bride de mesure (‘orifice plate’), cet obstacle est un trou concentrique dans une bride, perpendiculaire au sens du courant. Pour mesurer la différence de pression, on dérive en mont et en aval des courants partiels vers un appareil secondaire (‘DP cell’). Celui-ci envoie l’information vers un indicateur ou ordinateur de débit simple, avec les données de pression et/ou température, de telle sorte que le système peut compenser des changements en densité. Un ‘drain hole’ supplémentaire dans le bas de la bride aide à éviter un condensat éventuel dans la partie amont de la bride.

D’autres éléments primaires utilisés dans les débitmètres DP pour la vapeur sont des venturis, embouts, clavettes et tubes pitot. L’efficacité du débitmètre DP est fonction de l’élément primaire. Les voludéprimomètres sont relativement bon marché et faciles à installer. Les débitmètres DP multivariables mesurent plusieurs variables de processus (pression de processus, température), ce qui permet aussi de calculer le débit massique. Les inconvénients sont l’interférence avec le courant continu et une chute de pression.

Zone variable

Le débitmètre à zone variable (VA, ‘Variable Area’) ou rotamètre est constitué d’un tube conique placé verticalement avec dans le bas un trou plus petit et un flotteur à déplacement libre. Lorsque la vapeur circule dans le tube, la position du flotteur est en équilibre avec la force ascendante dynamique de la vapeur et avec la force descendante à travers la masse de vapeur. Ainsi, la position du flotteur (montrée en externe sur une échelle par un mécanisme magnétique) est une indi­cation du débit. Comme la zone circulaire autour du flotteur augmente avec le courant, la pression différentielle reste quasi constante. Le flotteur a un poids conforme et une résistance chimique contre le courant. 

Un débitmètre VA spring-loaded (SLVA) utilise un ressort pour déplacer spontanément le flotteur à nouveau vers la position originale. Un débitmètre VA target (TVA) agit selon le même principe que le SLVA, la zone d’un trou circulaire variant en continu par un cône mobile de forme précise. Ce cône peut se déplacer librement de façon axiale contre la résistance du ressort. Pour la mesure, ces débitmètres ne dépendent pas de la mesure de la chute de pression sur le débitmètre. Ils mesurent la force par l’écart du cône via des appareils de mesure de tension de haute qualité. Plus le courant vapeur est grand, plus la force est grande. En général, les débitmètres VA sont relativement bon marché. Les rotamètres basiques ont toutefois une plage d’application vapeur limitée. En effet, nombreux sont ceux qui n’ont pas de signal output et qui doivent être lus manuellement. De plus, ils ont une précision limitée (± 5 à 10%), donc inappropriés aux applications exigeant une grande précision. Les débitmètres TVA, par contre, conviennent aux applications exigeant une précision et un taux de variation du débit élevés (50:1). De plus, la distance d’encastrement (avant/ après) est très faible (DN6 en amont, DN 3 en aval), ce qui est très important pour la vapeur, par exemple dans un réseau sinueux avec peu de parties droites. Le SLVA a une telle distance d’encastrement et même un turndown ratio encore meilleur (100:1).

Ultrasons

Sur un débitmètre à ultrasons, le temps est mesuré entre l’envoi et l’arrivée d’une impulsion entre deux transducteurs montés sous un angle sur la surface de la conduite de vapeur. Chaque transducteur envoie en alternance une impulsion ultrasonique, le temps nécessaire pour atteindre l’autre transducteur étant influencé par la vitesse de la vapeur qui s’écoule dans la conduite.

Une impulsion qui est envoyée dans le sens de la vapeur, voyagera plus vite qu’une impulsion dans le sens contraire au courant. Ceci permet de calculer le débit volume et le débit massique. Quelques limites techniques affectent les modèles ‘clamp-on’ de débitmètres de vapeur. La vitesse de propagation de l’onde sonore dans le métal peut en effet différer de la vitesse d’onde dans la vapeur, ce qui influence la précision du résultat de mesure. De plus, l’épaisseur précise de la conduite n’est pas toujours connue (et il se peut qu’elle change avec le temps à cause de dépôts).

Coriolis

Un débitmètre à effet Coriolis possède un ou plusieurs tubes de mesure qui se déplacent de façon artificielle à une certaine fréquence. L’inertie de la vapeur crée une différence de phase, ce que détectent des capteurs des deux côtés du milieu. Le calcul du débit massique en est déduit. L’application du principe de Coriolis pour la mesure du débit de vapeur ne se fait que progressivement. Une limite actuelle de ces débitmètres est leur imprécision avec la vapeur sèche. Etant donné que la vapeur est aisément influencée par des écarts sur la zone de température et de pression, les conditions changent vite. Le développement de ce type de débitmètre de vapeur est donc encore confronté à quelques défis techniques.

Demande croissante de formation sur la vapeur

Paradoxalement, le manque de connaissances de la vapeur semble être la principale raison pour laquelle les entreprises alimentaires semblent à ce jour délaisser cette matière ‘brûlante’ et investissent encore trop peu dans la surveillance de la vapeur. Néanmoins, les débitmètres vapeur peuvent procurer des économies de 5 à 10%, à condition de bien choisir le débitmètre, la disposition, l’isolation, l’entretien et le suivi. Fabricants et fournisseurs parlent aussi d’une demande croissante de formations, à laquelle ils répondent naturellement avec plaisir.

Remerciements à: Spirax-Sarco, Emerson Process Management, Endress+Hauser, Krohne