Principes de base de la vapeur : vapeur sèche saturée et vapeur humide non saturée
Découvrez la différence entre la vapeur sèche saturée et la vapeur humide non saturée. Quels sont les avantages et dans quelles applications s'utilisent-elles ?
Vapeur saturée, non saturée, sèche, humide, de détente, supercritique et surchauffée... toutes les vapeurs ne sont pas les mêmes. Alors, est-ce l'application qui définit le type de vapeur dont vous avez besoin ?
Les propriétés dépendent du volume, de la pression et de la température, ce qui signifie que c'est l'application qui définit le type de vapeur dont vous avez besoin.
Examinons les différents types de vapeurs qui existent, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients.
Vapeur saturée ou sèche
La vapeur saturée ou sèche est le type de vapeur obtenu si toutes les molécules d'eau restent à l'état gazeux. Prenons l'exemple d'une bouilloire qui siffle lorsque l'eau bout. La vapeur ne s'échappe pas librement, car la pression est contrôlée selon l'utilisation prévue. Il arrive parfois que de la vapeur s'échappe de votre bouilloire : il s'agit de vapeur sèche.
La vapeur sèche perd une partie de son énergie lorsqu'elle est libérée dans l'atmosphère plus froide. Elle transfère cette énergie dans l'air ambiant, ce qui la condense et la fait apparaître sous forme de vapeur. En d'autres termes, vous produisez de la vapeur sèche en chauffant de l'eau dans une enceinte fermée.
La température de la vapeur est proche du point d'ébullition à cette pression.
Vapeur non saturée ou humide
La vapeur est non saturée ou humide lorsque la vapeur aspire de minuscules gouttelettes d'eau lors du chauffage. Lorsqu'une chaudière à vapeur chauffe de l'eau, des bulles éclatent à la surface. Ainsi, lorsque la vapeur commence à se former, elle contient du liquide. C'est ce liquide qui rend la vapeur partiellement humide, sauf si vous utilisez un surchauffeur. Même les meilleures chaudières à vapeur peuvent libérer de la vapeur contenant 3 à 5 % d'humidité.
Influence de la pression et de la température sur l'eau et la vapeur
En règle générale, la vapeur est directement influencée par la pression et la température.
- Plus la pression est élevée dans la chaudière, plus il faut d'énergie pour produire de la vapeur.
- Avec une pression accrue, de la vapeur est créée à des températures plus élevées. Cette vapeur à température plus élevée contient plus d'énergie par kg.
- La vapeur surchauffée est une exception à cette règle.
Ce graphique indique l'état de l'eau (liquide ou gazeux) à une température et une pression données. A 1 bar (pression atmosphérique normale), l'eau gèle à 0 °C (32 °F) et bout à 100 °C (212 °F). A 2 bar, le point de gel est plus faible et le point d'ébullition plus élevé.
Tableau de référence sur la vapeur surchauffée
Les tableaux de vapeur sont des outils essentiels pour toute personne travaillant avec de la vapeur. Vous pouvez les comparer à des fiches horaires de train ou à la carte sur un GPS lorsque vous roulez vers une nouvelle destination. Nous utilisons généralement un tableau de vapeur pour déterminer la température à une certaine pression ou l'inverse.
C'est un outil précieux, car il inclut également l'enthalpie et le volume spécifiques. L'enthalpie est la quantité d'énergie contenue dans 1 kg. Vous calculez l'enthalpie de la vapeur en additionnant l'enthalpie des différents états (liquide et gazeux).
Ce tableau indique la relation entre la pression et la température pour passer de l'eau à la vapeur surchauffée
Fraction de sécheresse de la vapeur
Comme mentionné ci-dessus, il est quasiment impossible pour les chaudières à vapeur de produire 100 % de vapeur sèche. Nous mesurons le niveau réel de vapeur par la fraction de sécheresse.
Si la vapeur contient 5 % d'eau, elle est 95 % sèche et présente une fraction de sécheresse de 0,95.
La fraction de sécheresse a un effet direct sur la quantité totale d'énergie transférable. En retour, cela affecte la qualité et l'efficacité du chauffage.
Vous vous souvenez de la différence entre la chaleur latente et la chaleur sensible ? 100 % de vapeur sèche contient également 100 % de la chaleur latente disponible (à cette pression spécifique). L'eau saturée sèche à 0 % ne contient que de la chaleur sensible.
Si vous n'êtes plus sûr de la différence entre les deux, vous pouvez lire cet article.
Saviez-vous que vous pouvez chauffer de la vapeur au-delà du point d'ébullition pour obtenir de la vapeur surchauffée ?
Contrairement à la vapeur saturée, la vapeur surchauffée n'est pas directement liée à la température et à la pression ; elle peut donc apparaître sur large plage de températures. Nous préférons la vapeur saturée pour les applications de chauffage et la vapeur surchauffée pour la production d'énergie ou dans les turbines.
Cela semble inimaginable, mais saviez-vous que la sécheresse de la vapeur peut être supérieure à 100 % ? Dans ce cas, nous parlons de vapeur surchauffée. Nous préférons la vapeur sèche saturée pour les applications de chauffage. Tandis que la vapeur surchauffée est l'option de choix pour la production d'énergie ou dans les turbines.
La vapeur saturée (sèche) constitue une excellente source de chaleur pour les raisons suivantes :
- Grâce à un chauffage rapide et uniforme, la qualité et la productivité de vos produits sont accrues.
- Comme la pression contrôle la température, nous pouvons atteindre rapidement et précisément une température spécifique.
- Comme le coefficient de transfert de chaleur est élevé, une surface de chaleur plus petite est nécessaire. Cela signifie une configuration initiale des équipements moins encombrante.
- Comme la vapeur provient de l'eau, elle est sûre, propre et économique.
Pourtant, nous savons désormais que la vapeur n'est pas sèche à 100 %. La perte de chaleur rayonnante provoque la condensation d'une partie de la vapeur, ce qui rend la vapeur humide encore plus humide, et également la formation de condensats. Si l'appareil n'est pas correctement géré et entretenu avec le bon équipement (et les bons accessoires), cela peut avoir des effets néfastes :
- Affecter l'efficacité du transfert de chaleur.
- Provoquer la corrosion de la tuyauterie et de l'équipement critique.
Qu'est-ce que le coefficient de transfert de chaleur ?
Le coefficient de transfert de chaleur sert à calculer l'efficacité du transfert thermique. Un peu plus haut, nous avons expliqué qu'un coefficient de transfert de chaleur élevé nécessite une petite surface de chaleur et que cela se traduit par une configuration initiale des équipements moins encombrante. Dans la mesure où une quantité plus importante d'eau s'évapore en vapeur saturée, la vapeur absorbe également davantage de chaleur latente. Par conséquent, la même masse contient plus de chaleur, et peut donc être plus efficace.
Quelle est la différence entre la vapeur saturée (sèche) et la vapeur non saturée (humide) ?
La vapeur sèche ou saturée ne contient pas de gouttes d'eau ; vous la produisez en chauffant de l'eau dans une enceinte fermée. La vapeur humide ou non saturée contient des gouttelettes d'eau. La vapeur saturée (sèche) est une excellente source de chauffage. La vapeur non saturée (humide) peut provoquer de la corrosion ou réduire l'efficacité du transfert de chaleur si elle n'est pas gérée correctement.
Qu'est-ce que la fraction de sécheresse ?
C'est la mesure que nous utilisons pour définir la vapeur sèche. Cela a un impact sur les capacités de chauffage de la vapeur.
