Chaque fois que vous faites bouillir une bouilloire, vous créez de la vapeur.
Cependant, plutôt que d’être un sous-produit de l’eau bouillante, la vapeur est une source d’énergie thermique puissante, polyvalente et efficace. C’est pourquoi la vapeur est largement utilisée dans les industries.
Dans cet article, nous explorerons où la vapeur est utilisée, comment contrôler l’énergie contenue dans la vapeur et pourquoi la vapeur est si efficace pour transférer la chaleur dans les processus industriels.
Quelles industries utilisent la vapeur comme énergie thermique ?
De nombreuses industries dépendent de la vapeur pour la chaleur ou l’énergie thermique. Les entreprises et les organisations utilisent l’énergie thermique pour fournir des températures élevées pour des processus critiques.
Dans l’industrie alimentaire et des boissons, la vapeur est utilisée à différentes étapes de la fabrication, notamment la pasteurisation, la cuisson, le nettoyage et le séchage. Par exemple, la chaleur de la vapeur cuit les haricots crus directement dans leurs boîtes de conserve.
Dans le secteur de la santé, les hôpitaux utilisent de la vapeur à haute pression pour stériliser le matériel chirurgical dans un autoclave. La vapeur tue les micro-organismes et les spores, garantissant que les instruments médicaux sont sûrs à utiliser sans nécessiter de produits chimiques.
Ces industries, et bien d’autres, utilisent la vapeur en raison de ses propriétés uniques en tant que source d’énergie thermique efficace.
Où la vapeur est-elle produite et utilisée ?
La vapeur est produite dans une chaufferie (A) et distribuée par des tuyauteries vers les processus nécessitant de l’énergie thermique. Chaque processus utilise un échangeur de chaleur (B) pour transférer une partie de l’énergie thermique contenue dans la vapeur vers ce processus. La vapeur libère cette énergie en se condensant contre une surface plus froide et forme un condensat liquide ; le liquide retourne à la chaufferie, où il alimente le boiler et produit davantage de vapeur. L’ensemble du processus est connu sous le nom de circuit vapeur-condensat.
Quelle quantité d’énergie thermique contient la vapeur ?
Vous pouvez calculer la quantité d’énergie thermique contenue dans la vapeur à l’aide des tables de vapeur1. Celles-ci montrent la relation entre la pression, la température, le volume et surtout, la quantité d’énergie que contient la vapeur. Grâce à ces connaissances, vous pouvez ajuster l’énergie de la vapeur pour différents processus.
Tables de vapeur
À la pression atmosphérique, 0 bar g, l’eau bout à 100 °C (comme dans une bouilloire). La première ligne des tables de vapeur montre que 419 kJ/kg d’énergie, connue sous le nom d’enthalpie de l’eau, sont nécessaires pour amener l’eau à son point d’ébullition.
Pour produire de la vapeur, il faut ajouter 2 257 kJ/kg d’énergie supplémentaire, appelée enthalpie de vaporisation ou énergie utile. Bien que la quantité totale d’énergie dans la vapeur soit maintenant de 2 676 kJ/kg, seule l’énergie utile sera transférée au processus lorsque la vapeur se condense dans un échangeur de chaleur.
Les tables de vapeur supposent que vous produisez de la vapeur sèche saturée. Cependant, il est également possible de produire de la vapeur humide et de la vapeur surchauffée, qui sont représentées dans le diagramme de phase de la vapeur.
Diagramme de phase de la vapeur
Le point A montre les informations équivalentes de la première ligne des tables de vapeur, où à 0 bar g il faut 419 kJ/kg d’enthalpie (énergie thermique) pour que l’eau atteigne le point d’ébullition de 100 °C et commence à s’évaporer.
La ligne entre le point A et le point B montre le parcours de l’eau bouillante lorsque vous ajoutez 2 257 kJ/kg d’énergie thermique supplémentaire. Au point B, l’eau s’est complètement évaporée en vapeur sèche saturée. La ligne rouge sur le diagramme représente la ligne de vapeur sèche saturée. La vapeur produite entre A et B est de la vapeur humide car elle contient encore de l’humidité. La vapeur à droite de la ligne de vapeur sèche saturée est de la vapeur surchauffée.
Quel type de vapeur est le plus efficace pour le transfert de chaleur ?
Vapeur sèche saturée
La vapeur sèche saturée est le type de vapeur idéal pour le transfert de chaleur car c’est le plus efficace pour le processus et crée moins de défis techniques. La vapeur est sèche car elle ne contient aucune humidité et saturée car elle est pleine d’énergie. La vapeur ne peut pas contenir davantage d’énergie à cette température et cette pression.
Vapeur humide
La vapeur humide est moins efficace que la vapeur sèche saturée car elle contient moins d’énergie. Avec la vapeur humide, le processus recevra moins d’énergie et une masse de vapeur inférieure, ce qui allongera probablement le temps de processus, n’atteindra pas la température requise ou entraînera une détérioration du produit.
Vapeur surchauffée
La vapeur surchauffée2 a une température supérieure à celle de la vapeur saturée à la même pression. Bien que certaines installations de vapeur produisent de la vapeur surchauffée pour la production d’électricité, la vapeur surchauffée n’est pas recommandée pour le transfert de chaleur car elle a un taux de transfert de chaleur inférieur. La vapeur surchauffée nécessite également une surface de transfert de chaleur plus grande que la vapeur sèche saturée.
Pourquoi la vapeur est-elle plus efficace que l’eau chaude à basse température (LTHW) pour le transfert de chaleur ?
La vapeur sèche saturée est plus efficace pour le transfert de chaleur3 que des alternatives comme l’eau chaude à basse température (LTHW) en raison de ses propriétés uniques.
La pression contrôle l’énergie thermique de la vapeur
Modifier la pression permet de manipuler la vapeur pour répondre aux besoins du processus, y compris la quantité d’énergie thermique qu’elle contient.
Lorsque vous chauffez l’eau sous pression, elle a un point d’ébullition plus élevé, donc plus d’énergie thermique est nécessaire. D’après les tables de vapeur, à 5 bar g, l’eau bout à 159 °C et nécessite 671 kJ/kg d’énergie pour atteindre le point d’ébullition. Cependant, transformer cette eau bouillante en vapeur nécessite moins d’énergie thermique qu’à des pressions inférieures. À 5 bar g, il faut 2 086 kJ/kg d’énergie, contre 2 257 kJ/kg à 0 bar g.
Connaissant l’impact de la pression, vous pouvez produire de la vapeur sous haute pression dans la chaufferie puis la distribuer au processus. Lorsque la vapeur atteint l’échangeur de chaleur, la réduction de la pression augmentera la quantité d’énergie utile transférée au processus.
La vapeur a une teneur en chaleur supérieure à celle du LTHW
La vapeur est produite à des températures et des pressions bien plus élevées que le LTHW, elle a donc une teneur en chaleur significativement supérieure et peut transférer plus d’énergie thermique au processus. En d’autres termes, moins de vapeur est nécessaire que de LTHW pour produire le même effet de chauffage.
Par exemple, comparez un échangeur de chaleur vapeur-eau avec un échangeur eau-eau conçu pour transférer 11 °C dans le processus. Avec un kilogramme de vapeur, il y a 50 fois plus d’énergie thermique utile que dans un kilogramme de LTHW. Cela signifie qu’il faut 50 fois moins de vapeur pour le même effet de chauffage, car l’eau a une capacité calorifique spécifique de 4,19 kJ/kg °C tandis que l’énergie thermique utile dans la vapeur est de 2 200 kJ/kg.
La vapeur transfère la chaleur trois fois plus vite que le LTHW
La vapeur transfère l’énergie thermique plus rapidement que le LTHW car elle cède son énergie thermique en se condensant. Le coefficient de transfert de chaleur, qui mesure la vitesse du transfert de chaleur, est environ trois fois supérieur avec un échangeur de chaleur vapeur-eau par rapport à un échangeur de chaleur eau-eau.
Comme la vapeur fournit un taux de transfert de chaleur plus rapide, une surface plus petite est également nécessaire dans l’échangeur de chaleur pour transférer la même quantité d’énergie thermique. En conséquence, un échangeur de chaleur vapeur-eau nécessite un encombrement inférieur à un échangeur de chaleur eau-eau équivalent.
La vapeur transfère la chaleur de manière uniforme sur une surface
La vapeur est un gaz, elle se répand donc pour remplir un espace. Dans un échangeur de chaleur vapeur-eau, la répartition de la chaleur est homogène sur la surface de transfert thermique par rapport à un échangeur de chaleur eau-eau.
L’utilisation de la vapeur pour le transfert de chaleur minimise les points froids dans l’échangeur de chaleur et fournit un transfert de chaleur plus régulier.
La vapeur : un choix efficace pour le transfert de chaleur
La vapeur est une source d’énergie thermique attrayante pour de nombreuses industries en raison de son efficacité. Modifier la pression permet d’ajuster l’énergie utile dans la vapeur. La teneur en chaleur et la vitesse de transfert de la vapeur sont significativement supérieures à celles du LTHW. De plus, la vapeur nécessite des surfaces de transfert de chaleur plus petites que d’autres sources d’énergie.
