Serpentin de montée en pression et économiseur : comment la pression du réservoir est régulée
Comment le serpentin de montée en pression et l'économiseur régulent la pression d'un réservoir cryogénique, et quels symptômes apparaissent en cas de panne.
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Un serpentin de montée en pression est un échangeur à air ambiant qui prélève du liquide dans un réservoir cryogénique, le vaporise et renvoie le gaz dans le ciel gazeux pour élever la pression. L'économiseur fonctionne en sens inverse, en prélevant la vapeur en partie haute lorsque la pression est élevée.
À eux deux, ces circuits maintiennent un réservoir cryogénique à une pression de service stable, sans gaspiller de liquide et sans faire ouvrir la soupape de sécurité.
Cet article explique le fonctionnement de chaque circuit, la relation entre les points de consigne, et ce qu'un exploitant observe lorsque l'un ou l'autre tombe en panne.
Pourquoi un réservoir cryogénique a-t-il besoin d'un circuit de montée en pression ?
Un liquide cryogénique se trouve proche de son point d'ébullition à la pression du réservoir. Quelque chose doit pousser le produit hors de la capacité, et sur une station client il n'y a normalement pas de pompe. La poussée vient de la pression de la vapeur au-dessus du liquide.
Cette pression doit rester supérieure à la demande en aval :
- En service gaz, la pression du réservoir pousse le liquide à travers le vaporiseur jusqu'au point d'utilisation, à la pression de distribution requise
- En service liquide, elle pousse le liquide dans une ligne de transfert, un flexible de remplissage ou une capacité client
- Dans les deux cas, la pression chute pendant le soutirage, puisque la vapeur est prélevée alors que le ciel gazeux augmente de volume
L'apport de chaleur produit à lui seul une certaine montée en pression, mais pas assez rapidement pour suivre un soutirage actif, si bien qu'un réservoir laissé à lui-même perdrait de la pression jusqu'à l'arrêt de la distribution.
Le problème inverse apparaît lorsque le réservoir est à l'arrêt. L'évaporation continue et, sans soutirage, la pression grimpe jusqu'à l'ouverture de la soupape et à la perte de produit. C'est ce que résout l'économiseur.
Comment fonctionne le serpentin de montée en pression ?
Le circuit de montée en pression, souvent abrégé PB, est une boucle fermée qui part du bas de la cuve intérieure et revient en partie haute de la même cuve.
- Le liquide sort du bas de la cuve intérieure par la ligne de montée en pression, en passant par une vanne d'isolement manuelle
- Le régulateur détecte la pression du ciel gazeux et s'ouvre lorsqu'elle descend sous le point de consigne
- Le liquide s'écoule dans le serpentin de montée en pression, un échangeur à air ambiant à tubes ailetés placé sur le côté ou en pied de réservoir
- L'air ambiant réchauffe le tube, le liquide entre en ébullition et le gaz se détend
- Le gaz revient dans le ciel gazeux en partie haute de la capacité et élève la pression du réservoir
- Une fois le point de consigne atteint, le régulateur se ferme et le circuit s'arrête
Un effet de thermosiphon rend la boucle autonome : le liquide présent dans le serpentin est plus chaud et moins dense, il monte donc et entraîne du liquide derrière lui. Aucune pompe ni alimentation électrique n'est nécessaire, ce qui explique que ce montage soit la norme sur les stations sans surveillance.
La montée en pression consomme aussi du produit. Chaque unité de gaz renvoyée dans le ciel gazeux provient du stock de liquide, si bien qu'un circuit qui fonctionne en permanence augmente discrètement la consommation du site.
Le régulateur de montée en pression
Le régulateur est une vanne de régulation autonome, et son point de consigne définit la pression de service du réservoir. Il doit couvrir la pression nécessaire au point d'utilisation plus les pertes dans le vaporiseur et les tuyauteries, et il se situe toujours en dessous du tarage de la soupape de sécurité.
À quoi sert l'économiseur sur un réservoir cryogénique ?
L'économiseur, parfois appelé vanne d'utilisation gaz, relie le ciel gazeux à la ligne de soutirage. Son point de consigne se situe au-dessus du réglage du régulateur de montée en pression et en dessous du tarage de la soupape de sécurité.
Lorsque la pression du réservoir dépasse ce point de consigne, la vanne s'ouvre et le produit est prélevé dans le ciel gazeux plutôt que dans le liquide. Le retrait de vapeur fait baisser la pression du réservoir, et la vapeur qui aurait autrement été mise à l'atmosphère est livrée au client. Sous le point de consigne, la vanne se ferme et le soutirage liquide normal reprend.
L'économiseur remplit donc deux fonctions à la fois :
- Il contrôle le haut de la plage de pression du réservoir sans mise à l'atmosphère, ce qui laisse à la soupape son rôle de dispositif de sécurité
- Il transforme le gaz d'évaporation en produit livré, de sorte que l'apport de chaleur qui aurait été une perte devient une partie de la vente
Les réservoirs cryogéniques fixes modernes présentent un taux d'évaporation statique d'environ 0,2 à 0,6 pour cent par jour selon la taille et l'isolation. Un économiseur en bon état récupère cette évaporation dans le flux gazeux. Sur un réservoir à l'arrêt pendant de longues périodes, aucun soutirage ne l'absorbe, la pression monte donc quand même et le temps de tenue devient la valeur déterminante.
Comment les réglages de pression se situent-ils les uns par rapport aux autres ?
Il existe un ordre fixe entre les points de consigne, et cet ordre explique la plupart des problèmes d'exploitation. Du plus bas au plus haut :
- Régulateur de montée en pression : le plus bas, il définit la pression de service normale du réservoir
- Régulateur de l'économiseur : au-dessus du régulateur de montée en pression, afin que les deux ne se contrarient jamais
- Soupape de sécurité : au-dessus du réglage de l'économiseur et au niveau ou en dessous de la pression maximale admissible de la capacité
- Disque de rupture : au-dessus du tarage de la soupape, dans la limite autorisée par le code applicable
L'écart entre le réglage de montée en pression et celui de l'économiseur constitue la bande dans laquelle le réservoir fonctionne. Si l'économiseur est réglé au niveau ou en dessous du réglage de montée en pression, le résultat est une boucle qui se contredit elle-même : le circuit vaporise du liquide pour élever la pression, l'économiseur la purge vers la ligne gaz, et le circuit redémarre, consommant du liquide supplémentaire.
Les valeurs exactes dépendent de la classe de pression de la capacité et de la pression de distribution requise. Elles figurent dans la documentation de la capacité, et toute modification constitue une intervention de service documentée. Notre article sur la MAWP et la classe de pression des réservoirs cryogéniques explique comment le classement de la capacité fixe le plafond.
Quels sont les symptômes d'une défaillance du serpentin ou du circuit de montée en pression ?
Les défauts de montée en pression se manifestent par une pression basse, un débit faible ou une absence totale de distribution.
La pression ne monte pas ou chute pendant le soutirage
- La vanne manuelle d'isolement de montée en pression est fermée, cause la plus fréquente et premier point à vérifier
- Le point de consigne du régulateur est trop bas pour la demande actuelle, ou le régulateur est resté fermé en défaut
- Le serpentin est pris en glace, il ne peut donc plus absorber la chaleur de l'air et le liquide ne se vaporise pas
- Le niveau de liquide est très bas, la hauteur disponible pour alimenter la ligne est donc faible
- La demande dépasse ce pour quoi le circuit a été dimensionné, ce qui relève du dimensionnement et non d'un défaut
Le serpentin est fortement givré ou pris en glace
Un peu de givre sur un serpentin de montée en pression est normal. Un bloc de glace compact ne l'est pas. Les échangeurs à air ambiant ont besoin de périodes de repos pour évacuer la glace qui se forme lorsqu'ils extraient la chaleur d'un air humide, si bien qu'un serpentin qui ne se repose jamais se prend en glace jusqu'à effondrement de sa capacité. Le temps froid et humide aggrave le phénomène, ce qui explique que les réclamations liées à la pression se concentrent en hiver.
La pression monte en continu et la soupape s'ouvre
C'est le défaut inverse, un régulateur bloqué ouvert. Le circuit continue de renvoyer du gaz dans le ciel gazeux, la pression dépasse donc le réglage de l'économiseur et atteint la soupape. Le signe caractéristique est un serpentin qui reste givré alors que le réservoir est déjà à sa pression de service.
Une soupape qui s'ouvre en continu ne traduit pas toujours un défaut de montée en pression. Une dégradation du vide produit le même symptôme, lisez donc d'abord nos articles sur les causes de montée en pression dans un réservoir cryogénique et sur la perte de vide.
Quels sont les symptômes d'une défaillance de l'économiseur ?
Les défauts d'économiseur sont plus discrets, car le réservoir continue de livrer. Ils se traduisent par des pertes de produit et une pression instable.
Économiseur bloqué fermé ou réglé trop haut
- Le réservoir met à l'atmosphère par la soupape ou la vanne d'évent alors qu'il contient encore beaucoup de produit
- La pression du réservoir reste en haut de la plage même pendant un soutirage gaz
- La consommation apparaît supérieure à l'usage réel, car le produit mis à l'atmosphère a bien été livré et facturé
- L'exploitant se met à purger manuellement, ce qui banalise une perte qui ne devrait pas exister
Économiseur bloqué ouvert ou réglé trop bas
- La pression du réservoir ne se maintient pas, car la vapeur est purgée en continu vers la ligne de soutirage
- Le circuit de montée en pression tourne en permanence, le serpentin reste donc givré et la consommation de liquide augmente
- Le gaz au point d'utilisation peut être plus froid ou variable, car il contourne le trajet complet du vaporiseur
- En service soutirage liquide, le transfert devient lent ou s'arrête à mesure que la pression du réservoir s'effondre
Le serpentin permet de distinguer les deux cas. Un serpentin givré avec une pression qui ne se maintient pas désigne l'économiseur. Un serpentin propre avec une pression qui ne monte pas désigne le circuit de montée en pression.
Que doit vérifier un exploitant avant d'appeler le service technique ?
Un contrôle court et structuré évite un déplacement et donne au technicien de service des éléments exploitables.
- Relever la pression du réservoir et le niveau de liquide, avec l'heure et la température ambiante
- Confirmer que la vanne manuelle de montée en pression est dans sa position normale de service
- Observer le serpentin de montée en pression : propre, légèrement givré ou pris en glace
- Observer le vaporiseur de process, puisqu'un givrage à cet endroit donne une pression de distribution basse souvent imputée au réservoir
- Vérifier si la demande a changé, par exemple avec une nouvelle ligne de production
- Comparer la pression aux points de consigne documentés dans le dossier de la capacité
- Rechercher une mise à l'atmosphère audible ou un panache de glace au niveau de l'évent
Deux règles s'appliquent sans exception. Ne jamais régler ni manipuler la soupape de sécurité ou le disque de rupture, et ne jamais isoler un dispositif de sécurité pour l'empêcher de s'ouvrir. Les points de consigne des régulateurs ne sont modifiés que par du personnel compétent, conformément aux valeurs documentées, et un serpentin pris en glace est laissé à dégeler naturellement, sans le chauffer ni le frapper.
Si le circuit ou le vaporiseur est sous-dimensionné plutôt que défectueux, la solution passe par une modification de capacité.
Comment le serpentin de montée en pression influence-t-il le choix du réservoir ?
Les équipements de régulation de pression font partie de la spécification. La demande gaz de pointe et la pression de distribution requise fixent la capacité de montée en pression et le point de consigne du régulateur, et la classe de pression de la capacité doit être assez élevée pour que la pression de service reste en dessous du tarage de la soupape.
Le profil d'utilisation compte autant que le volume. Les sites en service continu ont besoin d'une capacité suffisante pour que le serpentin dispose de temps de dégivrage, tandis que les sites intermittents à faible consommation dépendent davantage de l'économiseur, car les longues périodes d'arrêt laissent l'évaporation s'accumuler. C'est pourquoi un même volume nominal se comporte différemment sur deux sites, et pourquoi notre article sur le dimensionnement d'un réservoir de station client part du profil de consommation.
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Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'un serpentin de montée en pression sur un réservoir cryogénique ?
C'est un échangeur à air ambiant, généralement un serpentin à tubes ailetés placé sur le côté ou en pied de réservoir, qui prélève du liquide au bas de la cuve intérieure, le vaporise grâce à la chaleur de l'air environnant et renvoie le gaz dans le ciel gazeux. Le gaz ajouté élève la pression du réservoir afin que le produit puisse être poussé vers l'extérieur. Le circuit est piloté par le régulateur de montée en pression et ne nécessite ni pompe ni alimentation électrique.
À quoi sert l'économiseur sur un réservoir cryogénique ?
L'économiseur est un régulateur réglé au-dessus du point de consigne de montée en pression et en dessous du tarage de la soupape. Lorsque la pression du réservoir dépasse son point de consigne, il ouvre un passage entre le ciel gazeux et la ligne de soutirage, si bien que le produit est prélevé sous forme de vapeur plutôt que de liquide. Cela fait baisser la pression sans mise à l'atmosphère et transforme le gaz d'évaporation en produit livré.
Pourquoi mon réservoir cryogénique ne monte-t-il pas en pression ?
La cause la plus fréquente est une vanne manuelle de montée en pression restée fermée, souvent après une livraison ou une intervention de maintenance. Les autres causes sont un régulateur réglé trop bas ou resté fermé en défaut, un serpentin pris en glace qui ne peut plus absorber la chaleur de l'air, un niveau de liquide très bas, ou un débit de demande supérieur à celui pour lequel le circuit a été dimensionné.
Pourquoi mon réservoir cryogénique met-il à l'atmosphère alors qu'il est encore plein ?
Une mise à l'atmosphère avec du produit dans le réservoir signifie généralement que l'économiseur est bloqué fermé ou réglé trop haut, si bien que l'évaporation n'est pas dirigée vers la ligne gaz et que la pression monte jusqu'au tarage de la soupape. L'autre cause fréquente est un régulateur de montée en pression bloqué ouvert. Une isolation sous vide dégradée produit le même symptôme en augmentant l'apport de chaleur, vérifiez donc le vide avant de remplacer des régulateurs.
Le serpentin de montée en pression doit-il être givré ?
Un givre léger pendant une montée en pression active est normal, puisque le serpentin extrait de la chaleur de l'air. Un bloc de glace compact n'est pas normal et signifie que le serpentin a perdu de la capacité. Un serpentin qui reste givré alors que le réservoir est déjà à sa pression de service suggère un régulateur qui fuit ou reste ouvert. Laissez un serpentin pris en glace dégeler naturellement plutôt que d'appliquer de la chaleur ou de le frapper.
L'économiseur peut-il être réglé en dessous du régulateur de montée en pression ?
Cela ne doit jamais être le cas. Si le point de consigne de l'économiseur est au niveau ou en dessous de celui de la montée en pression, le circuit vaporise du liquide pour élever la pression et l'économiseur la purge aussitôt vers la ligne gaz. Le réservoir semble fonctionner mais consomme en continu du liquide supplémentaire. L'ordre correct est montée en pression au plus bas, puis économiseur, puis la soupape au niveau ou en dessous de la MAWP de la capacité.
Un économiseur en bon état supprime-t-il les pertes par évaporation ?
Il ne les supprime que pendant le soutirage du produit, car la vapeur récupérée doit aller quelque part. Sur un réservoir utilisé régulièrement, l'évaporation est absorbée par le flux gazeux et vendue plutôt que mise à l'atmosphère. Sur un réservoir à l'arrêt pendant de longues périodes, aucun soutirage ne l'absorbe, la pression monte donc et le temps de tenue de la capacité devient la valeur limitante.
Un exploitant peut-il régler les points de consigne de montée en pression ou d'économiseur ?
Non. Les points de consigne figurent dans la documentation de la capacité et ne sont modifiés que par du personnel compétent, dans le cadre d'une intervention de service documentée. Relever un point de consigne vers le tarage de la soupape pour compenser un problème de capacité en aval n'est pas une solution et réduit la marge sur laquelle repose le système de sécurité. Les soupapes de sécurité et les disques de rupture ne doivent jamais être réglés ni isolés.
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