Comment fonctionnent les purgeurs à disque : aperçu de leur mécanisme et de leurs mérites

Les purgeurs de type thermodynamique sont appréciés pour leur taille compacte et leur large plage de pression de fonctionnement. Ils sont de construction simple et peuvent fonctionner à l'horizontale ou la verticale. Ces caractéristiques en font un choix privilégié pour une grande variété d'applications comme le traçage, l'hydratation et certains process légers.

Deux types de purgeurs thermodynamiques : à disque et à impulsion

Il existe deux grandes catégories de purgeurs thermodynamiques : à disque et à impulsion. Les purgeurs à impulsion ont tendance à laisser fuir la vapeur et à tomber en panne facilement à cause de petites quantités de saleté. Pour ces raisons, ce type de purgeur est de plus en plus abandonné au profit du purgeur à disque.

Dans un purgeur à disque, l'écoulement du condensât est contrôlé par le disque qui se soulève ou se pose sur le siège de soupape. Le disque est indépendant des autres pièces.

Purgeur à disque

La vanne s'ouvre lorsque le disque se soulève du siège.

Le siège de soupape est composé de deux bagues concentriques (bagues de siège) : une bague intérieure et une bague extérieure. La bague intérieure sépare le trou d'entrée du fluide du ou des trous de sortie et empêche la vapeur de sortir. La bague extérieure contrôle la fuite de vapeur de la chambre de pression au-dessus du disque vers la sortie.

Avantages des purgeurs à disque

Limites des purgeurs à disque

Le principe de fonctionnement des purgeurs à disque

Les purgeurs thermodynamique fonctionnement de manière cyclique. La soupape (composé d'un disque et de bagues de siège) s'ouvre pour évacuer le condensât pendant quelques secondes, puis se ferme pendant une période généralement plus longue jusqu'au cycle suivant.

L'action d'ouverture et de fermeture des purgeurs à disque est due à la différence des forces agissant sur les faces inférieures et supérieures du disque. Ces forces sont essentiellement basées sur les variations d'énergie cinétique et de pression des fluides : air, condensât et vapeur.

Au démarrage, les fluides entrant constitués d'air et/ou de condensât (et à certains moments de vapeur) exercent une force vers le haut du disque (force de levage), provoquant ainsi sa montée et son ouverture. Cette force soulève le disque du siège pour permettre l'écoulement du condensât. La section suivante explique le mécanisme de fermeture.

Scénario 1 : de la position ouverte à la position fermée (explication du principe thermodynamique)

En position ouverte, deux forces opposées agissent sur le disque : la vapeur dans la chambre à pression sur le dessus du disque et la vapeur passe sous le disque. Cette vapeur provoquant l'ouverte et la fermeture de la vanne, est appelée vapeur de contrôle.

Fermeture de la vanne

L'écoulement rapide de la vapeur sous le disque provoque une dépression. Le disque de soupape est
« poussé » sur le siège de soupape en raison de la pression plus élevée à l'intérieur de la chambre.
Le purgeur se ferme.

La dynamique des fluides à l'œuvre

Selon le principe de Bernoulli : lorsque la vitesse d'un fluide augmente, sa pression diminue.

La vapeur de contrôle peut être de la vapeur de revaporisation ou de la vapeur vive. Il s'agit de vapeur de revaporisation lorsque le condensât pénètre dans le purgeur et subit un changement de phase dû à une chute de pression. Il peut s'agir de vapeur vive dans les cas où le débit de condensât est faible, ou s'il y a un défaut de conception. Les meilleurs purgeurs thermodynamiques minimisent ou éliminent l'utilisation de vapeur vive et utilisent la vapeur de revaporisation dans la mesure du possible.

La vapeur de contrôle à l'intérieur de la chambre à pression exerce une force vers le bas du disque égale à pression x surface. La vapeur de contrôle sous le disque provoque une chute de pression en raison de sa vitesse d'écoulement élevée (tant que le disque est en position ouverte).

Une fois le condensât évacué, la vanne va se refermer. La vapeur présente dans la chambre à pression va exercer une force vers le bas, supérieure à la force d'ouverture.

Diminution de la pression à l'intérieur de la Chambre

Les déperditions de chaleur par rayonnement provoquent une diminution de la pression à l'intérieur de la chambre, qui va finir par libérer le disque et permettre le passage du condensât.

Scénario 2 : de la position fermée à la position ouverte (explication du principe thermodynamique)

En position fermée, la vapeur à l'intérieur de la chambre à pression exerce une force de fermeture sur le disque.

Au fur à mesure, la force de fermeture (c'est-à-dire de la pression) diminue en raison des déperditions de chaleur par conduction causées par l'afflux de condensât, par rayonnement ou par convections causées par l'environnement extérieur et par les fuites entre le disque et le siège de soupape (usure mécanique). Lorsque la force de fermeture devient plus faible que la force d'ouverture (force de levage), le disque se soulève et évacue à nouveau le condensât.

En position fermée, la force de fermeture est déterminée uniquement par la pression de vapeur agissant sur le disque. La force d'ouverture est déterminée par la pression amont. La surface où s'exerce cette force d'ouverture est limitée au diamètre de l'orifice d'entrée.

Disque ou siège de soupape usé

Lorsque le disque ou le siège de soupape sont usés ou endommagés, la pression à l'intérieur de la chambre chute plus rapidement, ce qui entraîne des ouvertures et fermetures plus fréquentes de la soupape.

La fermeture étanche s'explique par une plus grande surface d'application de la force sur le dessus du disque que sur le dessous. La force résultant de la pression sur la surface, la surface plus faible en entrée empêche l'ouverture de la vanne même si les pressions exercées des deux côtés du disque sont égales. C'est la raison pour laquelle certains fabricants utilisent des disques de plus grand diamètre pour une étanchéité plus efficace. Lorsque la force de fermeture devient plus faible que la force d'ouverture, la vanne s'ouvre et un nouveau cycle de purge commence.

Scénario 3 : ouverture et fermeture avec de l'air dans l'installation vapeur (explication du principe aérodynamique)

Au démarrage de l'installation, le flux de vapeur qui entre dans le purgeur peut contenir une quantité importante d'air. L'air et la vapeur étant deux gaz, ils agissent de la même manière en générant une force de fermeture sur le disque. Cependant, contrairement à la vapeur, l'air est incondensable. Sa présence peut faire bloquer les purgeurs à disque classiques : c'est le blocage d'air. L'air emprisonné va empêcher l'évacuation du condensât et ainsi perturber le fonctionnement de l'installation. Il existe plusieurs méthodes pour faire face à ce phénomène. Pour plus d'informations à ce sujet, veuillez consulter : Blocage d'air

Blocage d'air dans les purgeurs à disque

L'air étant incondensable, la pression à l'intérieur de la chambre ne chute pas et la force d'ouverture ne peut pas surmonter la force de fermeture, ce qui empêche l'évacuation du condensât.

Les fabricants de purgeurs à disque traitent les problèmes de blocage d'air de diverses façons. Certains créent des voies de fuite d'air à travers le disque. D'autres intègrent un robinet de purge avec une crépine à manœuvrer au démarrage pour évacuer de grandes quantités d'air. Ces différences de conception induisent des pertes de vapeur qui peuvent plus ou moins importantes. Si un purgeur possède de par sa conception une voie de fuite, son étanchéité sera réduite dès le début.

Utilisation d'une voie de fuite

Si une voie de fuite est créée, la vapeur et l'air sont simultanément évacués, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie. La vanne s'ouvre et se ferme également plus fréquemment, ce qui augmente l'usure et raccourcit la durée de vie du purgeur.

Purgeurs à disques perfectionnés

Pour régler le problème des incondensables, nous avons mis au point un précédé innovant. Un purgeur d'air thermostatique est intégré purgeur de condensât.

Au démarrage, l'anneau bimétallique maintient le disque au-dessus du siège jusqu'à ce que l'air soit évacué du système. Lorsque l'air est expurgé, la température du fluide augmente, ce qui permet à l'anneau bimétallique de se dilater et de s'abaisser en position de repos inférieure. À partir de ce point, le purgeur thermodynamique fonctionne de manière classique. Grâce à ce procédé, les voies de fuite sur le disque ne sont plus nécessaires.

Exemple d'un purgeur à disque perfectionné

L'avantage de ce procédé est que la soupape peut être rendu aussi étanche que possible, car elle n'a qu'une seule fonction : fermer hermétiquement pour éviter les fuites de vapeur.

Les purgeurs thermodynamiques avancés peuvent également incorporer d'autres caractéristiques pour réduire les coûts du cycle de vie. Parmi les améliorations, mentionnons : des crépines pour accroître la fiabilité, des robinets de purge pour le démarrage et des pièces internes entièrement remplaçables pour réduire les coûts d'entretien et la durée des réparations.