Vapeur saturée vs vapeur surchauffée

Dans une chaudière, l’énergie du combustible est transférée à l’eau liquide dans le but de former de la vapeur d’eau. Dans un premier temps, l’eau froide se réchauffe et reçoit de l’énergie sous forme de « chaleur sensible », et ce, jusqu’à son point d’ébullition.

Lorsque le point d’ébullition est atteint, la température de l’eau arrête d’augmenter et reste constante tant que l’eau n’est pas toute vaporisée. L’eau passe alors de l’état liquide à l’état vapeur et reçoit de l’énergie sous forme de « chaleur latente de vaporisation ». Tant qu’il reste une goutte de liquide, la température de la vapeur la même que celle du liquide. On qualifie alors la vapeur de vapeur saturée.

Lorsque toute l’eau est évaporée, l’ajout subséquent de chaleur fait augmenter la température de la vapeur et celle-ci est alors qualifiée de vapeur surchauffée.

Pourquoi la vapeur saturée est-elle préférable à la vapeur surchauffée?

Les industries utilisent normalement la vapeur saturée dans les systèmes de chauffage, les procédés de cuisson, de séchage ou autre. La vapeur surchauffée est utilisée presque exclusivement dans les turbines. Les deux types de vapeur ont des capacités d’échange d’énergie différentes – c’est ce qui justifie leurs différentes utilisations.

La capacité d’échange d’énergie, aussi appelée coefficient d’échange thermique (U), est utilisée pour comparer les types de vapeur. Sa valeur est déterminée par le nombre de watts qui passe par unité de surface et par degré de différence de température. Plus cette valeur est grande, plus l’échange d’énergie sera grand pour une situation donnée.

La figure 1 illustre la capacité d’échange d’énergie en fonction de la source de vapeur utilisée. Nous pouvons constater que la capacité d’échange de la vapeur saturée est beaucoup grande que celle de l’eau ou de la vapeur surchauffée.

La vapeur surchauffée doit refroidir avant de pouvoir se condenser

Vapeur saturée vs surchauffée 1 - Capacité d'échange d'énergie (U) en fonction de la phase de l'eau.

Figure 1 - Capacité d'échange d'énergie (U) en fonction de l'état de l'eau.

La vapeur surchauffée ne cède que de la chaleur sensible dans un échangeur. Elle devra donc se refroidir afin de réchauffer une autre substance. La vapeur surchauffée collée à une surface se refroidit tout en cédant son énergie à l’échangeur. Cependant, la vapeur qui est un peu plus éloignée de la surface a de la difficulté à se refroidir et à céder son énergie parce que la vapeur surchauffée est mauvaise conductrice de chaleur (comme tous les gaz, d’ailleurs).

 

La vapeur surchauffée est un isolant thermique

Vapeur saturée vs surchauffée 2 - Profil de température près de la surface d’un échangeur utilisant la vapeur surchauffée

Figure 2 - Profil de température près de la surface d’un échangeur utilisant la vapeur surchauffée.

La vapeur surchauffée a le même coefficient « U » que l’air et nous savons que ce dernier est utilisé dans tous les bons isolants, comme la laine minérale ou le polystyrène extrudé (styromousse).

Parce qu’elle conduit mal la chaleur, la vapeur surchauffée a une faible capacité d’échange d’énergie, même si elle peut être beaucoup plus chaude et contenir plus d’énergie que la vapeur saturée. La faible conduction de chaleur de la vapeur surchauffée provoque la formation d’un profil de température entre la surface de chauffe et la vapeur. La figure 2 montre ce profil.

Les transferts de chaleur sont de loin supérieurs lorsque la vapeur est saturée

Comme la température de la vapeur saturée est uniforme, il n’y a aucun profil de température entre la vapeur et la surface à chauffer.

En pratique, dans un échangeur de chaleur, la vapeur saturée n’est pas en contact direct avec la surface de chauffe puisque la condensation de la vapeur provoque la formation d’une fine couche de condensat (film de condensat) sur la surface de chauffe. Nous avons vu précédemment que la capacité d’échange de l’eau liquide est plus faible que celle de la vapeur saturée. Le film de condensat coule vers le bas de l’échangeur. Son épaisseur est la même sur toute la surface de chauffe, à moins que celle-ci ne soit trop longue verticalement. L’écoulement uniformise la température du film de condensat et y empêche la formation d’un profil de température. Cela maintient le transfert de chaleur entre le liquide et la vapeur à son maximum.

La figure 3 montre le profil de température de la vapeur saturée dans un échangeur. À la différence de la figure précédente, il y a une couche de condensat sur la surface de chauffe et la température de la vapeur est constante.

Profil de température près de la surface d’un échangeur utilisant la vapeur saturée.

Figure 3 - Profil de température près de la surface d’un échangeur utilisant la vapeur saturée.

 

La vapeur surchauffée est utile dans une turbine

Dans une turbine, la vapeur doit être sèche. Les gouttes d’eau sont donc à proscrire, car elles peuvent briser les aubes. En effet, à la vitesse élevée de rotation des pales d’une turbine, la force centrifuge appliquée sur les petites gouttes d’eau peut devenir très importante, débalancer les pales et causer des bris. C’est la première raison pour laquelle la vapeur surchauffée est avantageuse dans une turbine.

Dans une turbine, c’est le travail fourni par la vapeur qui compte. La quantité de travail que la vapeur fournit dépend de son énergie et la vapeur surchauffée contient plus d’énergie que la vapeur saturée. La vapeur surchauffée pousse sur les pales d’une turbine au lieu de se condenser et perdre sa capacité à donner son énergie sous la forme de travail. C’est le deuxième avantage de la vapeur surchauffée.