À quoi sert la vapeur ?
Vapeur d’eau
La vapeur est utilisée dans un grand nombre d’industries. Les applications les plus courantes sont, par exemple, les processus de chauffage à la vapeur dans les usines et les centrales, et les turbines entraînées par la vapeur dans les centrales électriques, mais l’utilisation de ce fluide dans l’industrie s’étend au-delà de ce qui précède.
Voici quelques applications typiques pour les industries :
- Stérilisation/Chauffage
- Impulsion/Mouvement
- Motrice
- Atomisation
- Nettoyage
- Hydratation
- Humidification
La vapeur est généralement produite et distribuée à une pression positive dans une chaudière. Dans la plupart des cas, cela signifie qu’elle est fournie aux équipements à des pressions supérieures à la pression atmosphérique et à des températures supérieures à 100 °C.
Chauffage
Les applications de chauffage pour la vapeur sous pression peuvent être trouvées dans les usines de transformation des aliments, les usines chimiques et les raffineries, pour n’en nommer que quelques-unes. La vapeur saturée est utilisée comme source de chauffage pour le fluide de traitement dans les échangeurs de chaleur, les réacteurs, les rebouilleurs, les préchauffeurs d’air de combustion et d’autres types d’équipements de transfert de chaleur.
Propulsion
De plus, la vapeur est également utilisée régulièrement pour la propulsion (ainsi que la force motrice) dans des applications telles que les turbines à vapeur. La turbine à vapeur est un équipement essentiel pour la production d’électricité dans les centrales thermoélectriques. Dans un effort pour améliorer l’efficacité, des progrès ont été réalisés en vue d’utiliser la vapeur à des pressions et des températures encore plus élevées. Certaines centrales thermoélectriques utilisent de la vapeur surchauffée à 250 bars et 610 °C.
Généralement, la vapeur surchauffée est utilisée dans les turbines à vapeur pour éviter d’endommager l’équipement causé par l’entrée de condensat. Cependant, dans certains types de centrales nucléaires, l’utilisation de vapeur à haute température doit être évitée, car elle pourrait endommager le matériau utilisé dans les turbines. On utilise à la place de la vapeur saturée à haute pression. Là où la vapeur saturée est utilisée, des séparateurs sont généralement installés dans la conduite d’alimentation en vapeur pour éliminer le condensat du flux de vapeur.
Outre la production d’énergie, d’autres applications typiques d’impulsion/mouvement sont les compresseurs entraînés par des turbines ou les pompes, par exemple, les compresseurs de gaz, les pompes pour les tours de refroidissement, etc.
Fluide moteur
La vapeur peut être utilisée de la même manière comme une force « motrice » pour déplacer les flux de liquide ou de gaz dans une tuyauterie. Les éjecteurs de vapeur sont utilisés pour créer le vide dans les équipements de traitement tels que les tours de distillation qui sont utilisées pour purifier et séparer les flux de processus. Les éjecteurs peuvent également être utilisés pour l’élimination continue de l’air des condenseurs de surface, ceci afin de maintenir une pression de vide souhaitée dans les turbines de condensation (vide).
Atomisation
L’atomisation de la vapeur est un processus dans lequel la vapeur est utilisée pour séparer mécaniquement un fluide. Par exemple, dans certains brûleurs, la vapeur est injectée dans le combustible pour maximiser l’efficacité de la combustion et minimiser la production d’hydrocarbures (suie). Les chaudières et les générateurs de vapeur qui utilisent du combustible pétrolier utiliseront cette méthode pour casser l’huile visqueuse en petites gouttes afin de permettre une combustion plus efficace. De même, les brûleurs (élevés) utiliseront couramment l’atomisation de la vapeur pour réduire les polluants à la sortie.
Nettoyage
La vapeur est utilisée pour nettoyer une grande variété de surfaces. Un exemple de l’industrie est l’utilisation de la vapeur dans les souffleurs de suie. Les chaudières qui utilisent du charbon ou du pétrole comme source de combustible doivent être équipées de souffleurs de suie pour un nettoyage cyclique des parois du four et pour éliminer les dépôts de la combustion des surfaces de convection afin de maintenir l’efficacité, la capacité et la fiabilité de la chaudière.
Hydratation
Parfois, la vapeur est utilisée pour hydrater le processus tout en fournissant de la chaleur en même temps. Par exemple, la vapeur est utilisée pour l’hydratation dans la production du papier, de sorte que le papier qui se déplace dans les rouleaux à grande vitesse ne subisse pas de ruptures microscopiques. Un autre exemple sont les broyeurs à boulets. En continu, les granulateurs qui produisent les boulettes d’aliments pour animaux utilisent l’injection directe de vapeur à la fois pour chauffer et pour fournir une teneur en eau supplémentaire à celle qui est fournie dans la section de conditionnement du broyeur.
Humidification
De nombreuses grandes installations industrielles et commerciales, en particulier dans les climats plus froids, utilisent de la vapeur saturée à basse pression comme source de chaleur prédominante pour le chauffage intérieur saisonnier. Les serpentins HVAC, normalement combinés à des humidificateurs de vapeur, sont l’équipement utilisé pour le conditionnement de l’air, pour le confort intérieur, la préservation des registres et des livres, et le contrôle des infections. Lorsque l’air froid est chauffé par les serpentins de vapeur, l’humidité relative de l’air diminue, et elle doit donc être ajustée aux niveaux normaux en ajoutant une injection contrôlée de vapeur saturée sèche dans la ligne inférieure du flux d’air.
Types de vapeur d’eau
Comme indiqué dans la section précédente, l’eau dans certaines conditions de pression et de température peut se présenter sous forme gazeuse, c’est-à-dire sous forme de vapeur.
On appelle
vapeur saturée
lorsque les conditions de pression et de température correspondent à un point de changement d’état, dans ce cas, de liquide à gazeux. De cette façon, à cette température, les particules peuvent coexister dans les deux états.
En pratique, on appelle vapeur saturée sèche celle dans laquelle toutes les particules sont à l’état gazeux et vapeur saturée humide lorsqu’il existe des particules à l’état liquide.
D’autre part, la
vapeur surchauffée
est celle qui a une température supérieure à celle de saturation. La vapeur surchauffée est créée par la surchauffe de la vapeur saturée ou humide pour atteindre un point supérieur à celui de saturation. Cela signifie qu’il s’agit d’une vapeur qui contient une température plus élevée et une densité plus faible que la vapeur saturée à une même pression. La vapeur surchauffée est principalement utilisée pour le mouvement-impulsion d’applications telles que les turbines, et n’est normalement pas utilisée pour les applications de transfert de chaleur.
Sur l’image, on peut observer les différents états de l’eau en fonction de la pression et de la température auxquelles elle se trouve.
La ligne bleue montre le changement de phase liquide à phase gazeuse, c’est-à-dire la courbe de la vapeur saturée.
On peut observer qu’à une pression plus élevée, le changement de phase se produit à une température plus élevée.
Avantages de l’utilisation de vapeur saturée pour le chauffage
La vapeur saturée a plusieurs propriétés qui en font une excellente source de chaleur, en particulier à des températures supérieures à 100 °C. Certaines d’entre elles sont :
- Chauffage équilibré grâce au transfert de chaleur latente et avec une grande amélioration de la productivité et de la qualité du produit
- La pression peut contrôler la température, pouvant être établie rapidement et précisément
- Coefficient de transfert de chaleur élevé. La zone de transfert de chaleur requise est plus petite, ce qui permet de réduire
le coût initial de l’équipement
Cela étant dit, il est nécessaire de garder à l’esprit ce qui suit lorsque l’on chauffe avec de la vapeur saturée :
L’efficacité du chauffage peut être réduite si l’on utilise une vapeur différente de la vapeur sèche pour les processus de chauffage.
Contrairement à la perception commune, toute la vapeur générée dans une chaudière n’est pas de la vapeur sèche, mais plutôt de la vapeur un peu humide, qui contient quelques molécules d’eau non vaporisées.
La perte de chaleur par rayonnement fait qu’une partie de la vapeur se condense. Par conséquent, la vapeur humide générée devient encore plus humide, et plus de condensat se forme également, qui doit être éliminé en installant des purgeurs de vapeur aux points appropriés.
Lorsque la vapeur est générée à l’aide d’une chaudière, elle contient généralement de l’humidité provenant des particules d’eau non vaporisées qui sont entraînées vers les conduites de distribution de vapeur. Même les meilleures chaudières peuvent décharger de la vapeur contenant jusqu’à 3 % d’humidité. Au moment où l’eau s’approche d’un état de saturation et commence à s’évaporer, normalement, une petite portion d’eau, généralement sous forme de gouttes, est entraînée dans le flux de vapeur et entraînée vers les points de distribution.