La vapeur est un gaz invisible généré par l’ajout d’énergie (chaleur) à l’eau à l’intérieur d’une chaudière.

Il faut ajouter suffisamment de chaleur pour élever la température de l’eau jusqu’à la température d’ébullition. À partir de ce point, si l’on continue à apporter de l’énergie, la température ne sera pas modifiée, mais l’eau sera transformée en vapeur. En d’autres termes, cette énergie est investie dans le changement de phase et non dans une augmentation de température.

La vapeur est un moyen très efficace et facilement contrôlable de transporter de l’énergie. Dans les environnements industriels, ce transport s’effectue entre un emplacement central (chaudière) et un nombre variable de points où cette énergie est utilisée sous forme de chaleur pour augmenter la température de l’air, de l’eau ou dans d’autres processus industriels.

Comme indiqué, l’énergie supplémentaire apportée pour convertir l’eau en vapeur est celle qui sera utilisée ultérieurement pour chauffer l’air, cuire des tomates, repasser des draps ou chauffer un rouleau sécheur de papier.

La chaleur nécessaire pour que l’eau en ébullition se transforme en vapeur est appelée chaleur latente de vaporisation. La quantité est différente pour chaque combinaison de pression et de température, comme indiqué dans les tables de vapeur.

La chaleur circule des zones à températures plus élevées vers les zones à températures plus basses dans un processus appelé transfert de chaleur.

En commençant dans la chambre de combustion de la chaudière, la chaleur circule à travers les tubes et les parois du foyer vers l’eau qui les entoure. C’est à ce moment-là que la vapeur est générée.

Lorsque la haute pression dans la chaudière déplace la vapeur vers l’extérieur de celle-ci, il se produit une augmentation de température dans les tuyaux de distribution. À ce stade, la chaleur circule de la vapeur vers l’air qui entoure les tuyaux en traversant les parois métalliques de ceux-ci. C’est la raison pour laquelle une partie de la vapeur se transforme à nouveau en eau, ce que l’on appelle le condensat. Pour éviter cela, les tuyaux de vapeur doivent être correctement isolés afin de minimiser ces pertes par transfert de chaleur indésirables vers l’air ambiant.

La vapeur peut être utilisée directement, où la vapeur entre en contact direct avec le produit que l’on souhaite chauffer, ou indirectement, où la vapeur n’entre pas en contact direct et où l’on utilise des systèmes qui permettent un échange de chaleur adéquat.

Lorsque la vapeur atteint ces échangeurs de vapeur ou les différentes machines consommatrices d’énergie, l’histoire est différente. Dans ce cas, le transfert de chaleur entre la vapeur et d’autres points est souhaitable. Rien ne doit interférer dans le transfert de chaleur entre la vapeur et l’air, entre la vapeur et l’eau ou entre la vapeur et tout élément que l’on souhaite chauffer.

Calorie :

La calorie (symbole cal) est une unité d’énergie du Système Technique d’Unités, basée sur la chaleur spécifique de l’eau. Elle est définie comme la quantité d’énergie calorifique nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau pure de 1 °C, à une pression normale d’une atmosphère.

Joule :

est l’unité dérivée du Système International utilisée pour mesurer l’énergie, le travail et la chaleur. 1 kilocalorie (kcal) équivaut à 4186,8 Joules (J)

Température :

C’est la grandeur relative aux notions communes de chaleur mesurable au moyen d’un thermomètre. Elle est définie comme le degré ou le niveau thermique d’un corps. Elle n’implique pas de quantité d’énergie sous forme de chaleur disponible.

Chaleur :

C’est l’énergie transférée d’un système à un autre (ou d’un système à son environnement) en raison, en général, d’une différence de température entre eux.

Vapeur saturée :

C’est de la vapeur pure à la température à laquelle correspond la température de vaporisation de l’eau à la pression existante

Pression absolue et pression manométrique :

La pression absolue est la pression en bar indiquée par rapport au vide parfait. La pression manométrique (barg) est indiquée par rapport à la pression atmosphérique.

Enthalpie spécifique de la vapeur saturée :

Énergie totale requise pour générer de la vapeur saturée à partir d’eau à 0 °C

Comme indiqué dans le premier chapitre, si l’eau continue à être chauffée au-delà de son point de vaporisation, elle se transforme en vapeur (ou eau à l’état gazeux). Cependant, il existe plusieurs types de vapeur et leurs propriétés physiques varient en fonction de la pression et de la température auxquelles elle se trouve.

Comme on peut l’observer sur le graphique, la vapeur saturée se présente à des pressions et des températures où l’eau à l’état liquide et gazeux peut coexister.

L’utilisation de la vapeur saturée sèche présente plusieurs avantages pratiques. Par exemple, il est possible de contrôler la température de la chaudière en régulant la pression.

Cependant, en pratique, dans les usines industrielles, il est plus courant d’obtenir de la vapeur saturée humide. Cette partie liquide provient de particules d’eau non vaporisées qui sont entraînées vers les lignes de distribution. Généralement, les chaudières industrielles produisent de la vapeur contenant environ 3 % ou 5 % d’humidité.

Titre de vapeur

Le pourcentage en masse de vapeur dans un mélange liquide-vapeur est appelé « titre de vapeur ». Pour la donnée précédente, nous parlerions d’un titre de vapeur compris entre 0,95 et 0,97.

La vapeur saturée (100 % sèche) contient 100 % de la chaleur latente disponible à la pression donnée.

C’est pourquoi il est nécessaire d’extraire la plus grande quantité possible d’humidité du système de vapeur, car l’efficacité du transfert de chaleur peut être considérablement réduite plus l’humidité contenue dans la vapeur est importante.

De plus, le condensat généré dans les tuyaux rend la vapeur humide encore plus humide, formant plus de condensat qui aggrave considérablement le rendement.

Dans un système de tuyaux de vapeur correctement dimensionné, il est nécessaire de disposer d’équipements séparateurs d’eau pour éviter ce qui a été indiqué précédemment.

Une autre forme de vapeur est la vapeur surchauffée (voir schéma). Cette vapeur est créée par la surchauffe de la vapeur saturée jusqu’à atteindre un point supérieur à celui de saturation. Cela donne une vapeur à une température plus élevée que la vapeur saturée à une même pression. Cette vapeur n’est généralement pas utilisée dans les applications d’échange de chaleur et est plus adaptée aux applications de mouvement ou d’impulsion comme les turbines.

Enfin, la vapeur dite flash est la vapeur qui se forme à partir du condensat chaud lorsqu’il se produit une réduction de la pression. Ce condensat à hautes températures contient une grande quantité d’énergie qui ne peut pas être maintenue à l’état liquide à des pressions inférieures, car la ligne de la vapeur saturée a été dépassée. Le résultat est que, dans un système avec de l’eau condensée, un pourcentage de vapeur flash est généré lorsque la pression est réduite.

Les chaudières à vapeur sont des récipients dans lesquels l’eau est chauffée pour produire de la vapeur. Ce sont des équipements où s’effectue une transformation d’énergie de n’importe quelle source (généralement des combustibles solides, liquides ou gazeux) en énergie utilisable et transportable.

La chaleur est transférée à l’eau non seulement par le contact direct entre la flamme et le corps de la chaudière qui contient l’eau, c’est-à-dire par conduction, mais il se produit également un échange par rayonnement de la flamme vers les parois du foyer et un autre par convection, car les fumées produites lors de la combustion et qui possèdent des températures élevées chauffent les parties métalliques baignées par l’eau.

La chaudière est un cas particulier dans lequel un échangeur de chaleur est élevé à hautes températures, dans lequel se produit un changement de phase. De plus, c’est un récipient de pression, c’est pourquoi elle est construite principalement en acier au carbone.

Il existe une multitude de conceptions de chaudières, bien qu’en général elles puissent être regroupées en :

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  Aquotubulaires :
  
  Ce sont les chaudières dans lesquelles le fluide de travail se déplace à l’intérieur de tubes pendant son chauffage. Ce sont les plus utilisées dans les centrales thermoélectriques, car elles permettent des pressions élevées à leur sortie et ont une grande capacité de génération.
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  Pirotubulaires :
  
  Dans ce type, le fluide à l’état liquide se trouve dans un récipient traversé par des tubes, par lesquels circulent des gaz à haute température, produit d’un processus de combustion. L’eau s’évapore au contact des tubes chauds, en raison de la circulation des gaz d’échappement à l’intérieur de ceux-ci.

Sur la figure précédente, on représente une chaudière pourvue d’un brûleur, dans laquelle on aperçoit les parties suivantes :

 

Brûleur (1) :

c’est lui qui est chargé de brûler un combustible liquide, gazeux ou solide en produisant une flamme.

Foyer ou chambre de combustion (2) : c’est là où le combustible est brûlé et où les températures les plus élevées sont atteintes, proches de 2 000 ºC.

Circuit de fumées (3) : il remplit la double mission de conduire les fumées qui sont produites lors de la combustion vers la boîte à fumées et de leur arracher le plus de chaleur possible pour ensuite la céder à l’eau (les laisser sortir directement dans l’atmosphère entraînerait, entre autres inconvénients, une grande perte d’énergie, en gaspillant la chaleur qu’elles possèdent).

Pour augmenter au maximum l’échange de chaleur entre les gaz et l’eau, le circuit de fumées aura la plus grande surface possible et sera réalisé de manière à diminuer autant que possible la vitesse de sortie des gaz.

Cela est réalisé en obligeant les gaz à faire plusieurs tours avant de les laisser sortir et en intercalant sur leur passage certains éléments appelés turbulateurs qui leur rendent le passage difficile en les freinant.

Boîte à fumées (4) :

c’est la zone dans laquelle convergent toutes les fumées pour être envoyées ultérieurement vers l’extérieur par la cheminée

Sortie de vapeur (5) :

une fois que l’eau est entrée dans la chaudière et qu’elle s’est vaporisée, elle est envoyée vers l’installation.

Pompe : C’est l’équipement chargé d’introduire de l’eau à l’état liquide dans la chaudière pour remplacer le volume de vapeur qui a quitté celle-ci pour sa consommation.

Instrumentation :

Centralisé dans le tableau électrique, le contrôle automatique de la chaudière est effectué, y compris les niveaux, le démarrage et l’arrêt de la pompe, l’actionnement du brûleur, les sécurités, etc.