Tables de vapeur

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Qu’est-ce qu’une table de vapeur?

Une table de vapeur est un ensemble de données expérimentales mettant en relation la température, la pression, le volume et l’énergie de l’eau et la vapeur. Ces données sont organisées en colonnes pour une lecture facile. Elles sont basées soit sur une échelle de pression absolue, soit sur une échelle relative (gauge). L’échelle de pression relative est utilisée dans notre table de vapeur.

L’utilité des tables de vapeur

Les tables de vapeur nous aident à faire les calculs nécessaires à une utilisation optimale de la vapeur dans les différentes situations rencontrées en industrie. Elles nous aident aussi au diagnostic des situations problématiques.

Les tables de vapeur nous permettent de connaître facilement la température de la vapeur lorsque l’on connaît sa pression et, inversement, elles permettent de connaître la pression si on connaît la température. conséquemment, une des façons les plus courantes d’utiliser une table de vapeur consiste à inférer la Température approximative de la vapeur dans une conduite après avoir mesuré la température externe de la conduite à l’aide d’un thermomètre infra-rouge (pistolet infra-rouge). Cette stratégie est extrêmement utile lorsqu’il n’y a pas de jauge sur la conduite.

Les tables de vapeur donnent aussi le volume que l’eau et la vapeur occupent à différentes températures ou pressions, ce qui aide au dimensionnement des équipements.

Plus important encore, les tables de vapeur nous donnent la quantité d’énergie utilisée ou dégagée par l’eau lors de son passage de l’état liquide à l’état vapeur (vaporisation), et vice-versa (condensation). De plus, les tables fournissent des informations sur les changements d’énergie de la vapeur lorsque celle-ci passe d’une pression à une autre, ou d’une température à une autre. Ainsi, pour faire un travail donné nécessitant une certaine quantité d’énergie, nous pouvons savoir de combien de livres de vapeur nous avons besoin en consultant les tables de vapeur.

En résumé, les tables de vapeur contiennent des informations sur la quantité d’énergie échangée, sur les relations entre la température et la pression, ainsi que sur les volumes respectifs de l’eau et de la vapeur.

L’origine des tables de vapeur

Montage expérimental pour table de vapeur

Figure 1. Montage expérimental pour table de vapeur.

Les valeurs expérimentales des tables de vapeur ont été mesurées en laboratoire avec des instruments de précision. Elles ont été vérifiées de nombreuses fois au cours des années et sont donc très fiables.

C’est avec une expérience très simple qu’il est possible de construire une table de vapeur. Dans un appareil parfaitement isolé dans lequel circule un débit d’eau précis, on fait passer un courant électrique connu. Ce courant nous permet de connaître la quantité exacte de chaleur ajoutée et nous enregistrons à quelle pression et à quelle température le système se stabilise. La figure suivante montre le montage expérimental servant à recueillir les données d’une table de vapeur.

Les unités de la table de vapeur

Les unités utilisées dans notre table de vapeur font partie du système de mesures anglaises. Cependant, les valeurs de la température et de la pression sont aussi données en unités métriques. D’autres tables de vapeur peuvent donner les valeurs en unités métriques ou avec un mélange d’autres unités. Peu importe les unités, ce sont toujours les mêmes valeurs expérimentales qui sont utilisées et il est relativement facile de passer d’un système d’unités à l’autre en utilisant la bonne formule.

Dans notre table de vapeur, la pression relative est exprimée soit en lb/po2 au cadran (psig), soit en kPa et elle occupe les deux premières colonnes. Les températures en degrés Fahrenheit (oF) et en degrés Celsius (oC) occupent les deux colonnes suivantes. La 5ième colonne donne la chaleur latente de vaporisation (en Btu/lb) ou l’énergie entreposée dans la vapeur après que l’eau liquide ait atteint à la température de saturation. La 6ième colonne donne la chaleur sensible en (Btu/lb) ou l’énergie entreposée dans l’eau à la température de saturation. La 7ième colonne donne l’énergie totale (en Btu/lb) entreposée dans la vapeur, incluant la chaleur sensible et la chaleur latente de vaporisation. L’avant-dernière colonne donne le volume de la vapeur en pi3/lb, alors que la dernière colonne donne le volume de l’eau en pi3/lb.

Observations sur les tables de vapeur

Il est important de noter qu’à chaque pression correspond une et une seule température de saturation. De même, à chaque température correspond une et une seule pression de saturation. Ces données sont valables pour de la vapeur d’eau pure – la présence d’impuretés changera les valeurs. Rappelons que plus la pression augmente, plus la température d’ébullition augmente.

Au fur et à mesure que la pression augmente, la chaleur latente de vaporisation de la vapeur diminue, tandis que la chaleur sensible de l’eau augmente. À une pression d’environ 1 300 psig, ces deux valeurs sont à peu près égales. À une pression de 3 193 psig, c’est le point critique et la chaleur latente de vaporisation est devenue nulle. Au-delà du point critique, la vapeur est qualifiée de « supercritique ».

Chaleur latente de vaporisation en fonction de la pression

Figure 2. Chaleur latente de vaporisation en fonction de la pression.

Chaleur sensible en fonction de la pression

Figure 3. Chaleur sensible en fonction de la pression.

Comme on peut le constater en observant la figure 4, l’énergie totale d’une livre d’eau augmente jusqu’à la pression de 300 psig, pour ensuite diminuer. L’énergie totale est la quantité d’énergie nécessaire pour faire augmenter la température de l’eau et la vaporiser.

Énergie totale de la vapeur en fonction de la pression

Figure 4. Énergie totale de la vapeur en fonction de la pression.

Le volume de la vapeur diminue à mesure que la pression augmente. Cela s’explique par le fait que la pression oblige une même quantité de vapeur à occuper un plus petit volume. Aux pressions les plus basses, la diminution du volume est très importante. Le volume de la vapeur passe en effet de 26,8 pi3/lb à 0 psig à 4,87 pi3/lb à 75 psig.

Il y a des conséquences importantes à cette variation de volume. Par exemple, le fait d’opérer une chaudière à basse pression provoque plus facilement de l’emportement, car les bulles de vapeur formées sont beaucoup plus grosses qu’à haute pression et l’éclatement d’une bulle à la surface de l’eau a tendance à projeter des gouttelettes d’eau qui sont emportées dans les conduites de vapeur. De plus, l’énorme volume de la vapeur à basse pression fait en sorte qu’il est nécessaire d’utiliser des conduites beaucoup plus grosses pour distribuer la vapeur au débit requis.

Le même problème survient fréquemment lorsque la demande de vapeur est si forte que la pression baisse à l’intérieur de la chaudière. La température d’ébullition de l’eau baissant soudainement, l’augmentation de l’ébullition de l’eau fait gonfler la masse d’eau dans la chaudière (les bulles de vapeur circulant dans l’eau étant plus grosses), ce qui contribue à l’emportement.

En apprendre plus sur l’emportement.

Étant donnée qu’un liquide est incompressible, le volume de l’eau liquide est stable et ne change pratiquement pas avec l’augmentation de la pression. Lorsque nous atteignons une pression de 3 193 psig, les volumes du liquide et de la vapeur sont égaux et c’est le point critique.

Énergie de la vapeur en fonction de la pression

Figure 5. Énergie de la vapeur en fonction de la pression.

Il est à noter que les premières valeurs de la table sont inférieures à la pression atmosphérique, autrement dit sous vide. Plus le vide est important, plus le liquide bout à une température basse – à tel point qu’à un vide d’environ 25 pouces d’eau, l’eau bout à la température ambiante, soit 21 oC. Il est évidemment impossible de faire bouillir l’eau sous la température de congélation, car l’eau est alors devenue solide. Le volume de la vapeur augmente de façon très rapide à mesure que le vide se produit, ce qui peut exiger des conduites énormes si nous voulons utiliser la vapeur dans ces conditions. Par exemple, le chauffage à vapeur sous vide utilisé autrefois permettait le contrôle de la température, mais nécessitait de très grosses conduites.