De nombreux numéros d’Info-Tec ont abordé les éléments utilisés dans les systèmes à vapeur tels que les vannes, les régulateurs, les purgeurs, les contrôles, etc. Cet Info-Tec traitera de la vapeur elle-même. Comprendre la vapeur, pourquoi et comment elle fonctionne, aidera à comprendre les dispositifs utilisés pour contrôler la vapeur.

Qu’est-ce que la vapeur ?

La vapeur est de l’eau à l’état gazeux. Il faut ajouter suffisamment de chaleur à l’eau pour élever la température de l’eau liquide à son point d’ébullition, puis ajouter davantage de chaleur pour provoquer un changement d’état en vapeur sans augmentation de la température.

La quantité de chaleur nécessaire pour élever l’eau à la température d’ébullition est appelée chaleur sensible. La quantité de chaleur nécessaire pour changer l’eau en vapeur est appelée chaleur latente de vaporisation. La chaleur latente de vaporisation est exactement la même que la « chaleur latente de condensation ». C’est ce principe qu’utilisent les systèmes à vapeur. Comme nous le verrons, cette chaleur latente est la raison principale pour laquelle la vapeur est utilisée comme moyen de transfert d’énergie thermique.

Pour illustrer la chaleur sensible et la chaleur latente, nous devons rappeler la définition d’un BTU (British Thermal Unit), une mesure d’une quantité de chaleur. Un BTU est défini comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever une livre d’eau d’un degré Fahrenheit.

La chaleur sensible est la chaleur qui peut être facilement détectée. On peut la sentir, voire la « voir » en utilisant un thermomètre. La chaleur latente est la chaleur qui est « là » mais pas facilement perceptible.

Une expérience simple démontre la chaleur sensible et latente.

La figure 1 montre un bécher en verre contenant une livre d’eau. Un thermomètre peut être mis dans l’eau. Le thermomètre indique que l’eau est à une température ambiante de 70 °F. Le bécher d’eau est placé au-dessus d’un brûleur et le brûleur est allumé. Le brûleur porte la température de la livre d’eau à 212°F. Cela a nécessité 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Rappelez-vous la définition d’un BTU.)

Figure 1.

Ces 142 BTU sont de la chaleur sensible. Nous pouvons  » voir  » la chaleur ajoutée à l’eau par le brûleur, comme en témoigne le thermomètre. Nous pourrions mettre notre main dans l’eau et « sentir » la chaleur qui a été ajoutée ; la « sentir ». (Pas conseillé.)

L’ajout continu de chaleur fera bouillir l’eau, mais le thermomètre ne montera pas plus haut ! A la pression atmosphérique, il restera à 212°F ! Comment cela est-il possible ? Le brûleur est toujours allumé. Nous pouvons voir que de la chaleur est toujours ajoutée à l’eau. Où va toute cette chaleur supplémentaire ?

Elle sert à provoquer un changement d’état. L’eau est transformée en vapeur. Ce changement d’état nécessite une grande quantité de chaleur, beaucoup plus de chaleur que celle nécessaire pour augmenter la température de l’eau de 70°F à 212°F. Il faut 970 BTU supplémentaires pour changer une livre d’eau en une livre de vapeur à la pression atmosphérique !

Nous ne pouvons pas « voir » cette chaleur. Nous ne pouvons pas « sentir » cette chaleur, mais elle est là. C’est de la chaleur « latente », de la chaleur cachée. Le terme exact est « chaleur latente de vaporisation ».

La chaleur latente de vaporisation est exactement la même que la chaleur latente de condensation. C’est-à-dire que si nous condensons la livre de vapeur à 212°F en une livre d’eau à 212°F, nous devons extraire 970 BTU de la vapeur. C’est pourquoi la vapeur est si largement utilisée. La livre de vapeur contenant une grande quantité d’énergie thermique peut être rapidement et facilement transportée par un système de distribution vers des endroits éloignés où l’énergie peut être récupérée et mise à profit.

La température d’ébullition de l’eau n’est pas constante. La variation de la pression de l’eau peut modifier son point d’ébullition. Cela nécessite un système fermé afin de pouvoir contrôler la pression. L’eau peut alors être bouillie à 50°F, à disons 500°F aussi facilement qu’à 212°F. La seule chose nécessaire est de modifier la pression au-dessus de l’eau pour qu’elle corresponde au point d’ébullition désiré.

À titre d’exemple, si la pression dans une chaudière est portée à 52 psig. (67 psia.), l’eau bouillira à 300 °F. Inversement, si la pression est abaissée à un vide de 29,6 pouces de mercure, l’eau bouillira à 40 °F.

Changer le point d’ébullition de l’eau en faisant varier la pression entraîne d’autres changements de propriétés physiques. Sous la pression atmosphérique, la chaleur latente de vaporisation était de 970 BTU par livre, mais à 100 psig, elle est de 889 BTU par livre.

Des tableaux montrant les propriétés de la vapeur sont joints. Le tableau 1 et le tableau 2 sont essentiellement les mêmes, la différence étant que le tableau 1 est un tableau de température en colonne 1, le tableau 2 est un tableau de pression en colonne 1. Ils fonctionnent bien ensemble, puisque les entrées horizontales sur le tableau 1 remplissent les lacunes de l’autre tableau.

Tableau 1.

Tableau 2.

Si la chaleur latente de vaporisation de la vapeur à 240°F devait être connue, la référence au tableau 1, ne montre aucune ligne 240°F. Les entrées sont 212°F ou 250°F. En utilisant le tableau 2, colonne 2, l’entrée 240.07°F apparaît. (Ceci montre que l’eau à 25 psia. bout à 240.07°F.) La chaleur latente apparaît comme 952.1 BTU’s par livre, Colonne 6.

Enthalpie

Aucune discussion sur la vapeur n’est complète sans mentionner l’enthalpie. L’enthalpie est la chaleur totale. L’enthalpie est une propriété des substances qui est une mesure de leur contenu thermique. Elle est pratique pour trouver la quantité de chaleur nécessaire à certains processus. D’après le tableau 1, la chaleur totale de la vapeur à la pression atmosphérique (0 psig ou 14,696 psia) est de 1 150,4 BTU par livre. Ce total est composé de deux parties, la chaleur sensible et la chaleur latente. La chaleur sensible fait passer la température de l’eau de 32°F à 212°F, soit 180,07 BTU par Lb. (Colonne 6). La chaleur latente de vaporisation de l’eau est à 212°F, soit 970,3 BTU par livre. (Colonne 7). La somme est de 1150,4 BTU par Lb. (Colonne 8). Ces informations peuvent être utilisées pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour transformer de l’eau en vapeur à n’importe quelle température et pression. Par exemple, quelle quantité de chaleur est nécessaire pour transformer de l’eau à 70°F en vapeur à 250°F ? D’après le tableau 1, ligne 250°F, colonne 8, l’enthalpie de la vapeur est de 1164 BTU par livre. D’après la colonne 6, ligne 70°F, l’enthalpie de l’eau est de 38,04 BTU par livre. 1164 représente le contenu thermique total de la vapeur, et 38,04 le contenu thermique de l’eau à 70°F. La différence, 1164 – 38,04, ou 1125,96 BTU par Lb, est la quantité de chaleur qui doit être ajoutée à l’eau à 70°F pour la changer en vapeur à 250°F.

Vapeur surchauffée

Il faut faire une mention sur la vapeur surchauffée.

Il est impossible de surchauffer de la vapeur en présence d’eau car toute la chaleur fournie ne fera qu’évaporer l’eau. Comme nous l’avons vu dans la figure 1, la température de l’eau restera constante jusqu’à ce que toute l’eau ait bouilli. La vapeur à la même température que l’eau bouillante est de la vapeur « saturée ». La vapeur surchauffée est de la vapeur à une température plus élevée que celle de l’eau bouillante sous la même pression. La vapeur surchauffée est principalement utilisée pour la production d’électricité. Les turbines sont plus efficaces, nécessitent moins d’entretien et durent plus longtemps lorsqu’elles fonctionnent à la vapeur surchauffée. Habituellement, dans le chauffage industriel commercial et les travaux de transformation, nous aurons affaire à de la vapeur saturée.

(Une parenthèse intéressante concernant la climatisation est le fait que toute l’humidité de l’air atmosphérique existe sous forme de vapeur surchauffée à très basse pression. La charge de chaleur latente de désurchauffe de cette vapeur peut constituer plus de 50% de la charge d’un climatiseur. Lors du refroidissement d’un mélange d’air et de vapeur surchauffée, la vapeur est désurchauffée jusqu’à ce qu’elle atteigne un point où elle se condense en eau. Ce point est appelé le « point de rosée ». En fait, il s’agit de la température de condensation de la vapeur à basse pression.)

La vapeur est largement utilisée. Presque chaque usine aura une ou plusieurs unités de vapeur en fonctionnement. La figure 2 illustre certaines des utilisations dans une usine typique.

Figure 2.

La vapeur produite dans une chaudière peut être transférée à des endroits éloignés par des systèmes de tuyauterie pour accomplir de nombreuses tâches utiles. La pression plus élevée dans la chaudière pousse la vapeur là où elle est nécessaire, et bien que certaines pertes se produisent dans tout système de distribution, un système soigneusement conçu et isolé minimisera ce gaspillage et délivrera la vapeur là où elle est destinée à chauffer. Ici, la même chaleur latente de vaporisation devient maintenant la chaleur latente de condensation utilisée pour chauffer l’air, l’eau, les récipients de cuisson des aliments, etc.

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