La vapeur d'eau - ww2.ac-poitiers.fr

1 Christophe Alleau La vapeur d'eau 1/15 La vapeur d eau 1 Importance de la vapeur Dans les proc d s industriels, la vapeur d'eau est un fluide nerg tique tr s utilis d s qu il s agit de chauffer. On la retrouve dans les activit s tel que : la p trochimie, la chimie, l'agro-alimentaire, les industries de transformation, le chauffage urbain, Inject e dans une centrale de traitement de l'air, la vapeur sert maintenir l'humidit dans des locaux. Surchauff e puis d tendue dans des turbines, la vapeur peut galement servir la pro-duction d' lectricit . Chaudi re Surchauffeur vapeur satur e Etat gazeux Eau Etat liquide vapeur surchauff e Etat gazeux Si tant d'industriels ont choisi et continuent de choisir la vapeur d'eau , c'est parce que ce fluide a des propri t s physiques particuli rement adapt es au transfert de chaleur. Par exemple, sa chaleur latente lev e permet d obtenir un bon rendement thermique dans les changeurs de chaleur ou encore la relation pr cise entre sa pression et sa temp rature l' tat satur autorise un bon contr le de l tat du fluide.

2 La vapeur d eau est de l eau l tat gazeux ! 2 Propri t s thermiques de l eau G n ralit s Chaque changement d' tat n cessite un transfert d' nergie qui modifie les forces de liaison entre les mol cules. La quantit d' nergie n cessaire un changement d' tat s'appelle chaleur latente de changement d' tat, que l'on diff rencie de la chaleur sensible qui ne provoque qu'une variation de temp rature du corps sans en changer l' tat physique. Christophe Alleau La vapeur d'eau 2/15 Vaporisation Liqu faction Sublimation Fusion vapeur Etat gazeux Glace Etat solide Eau Etat liquide Solidification Condensation A une pression donn e, chaque changement d' tat s'accompagne d'une variation de volume ; cette variation peut tre tr s importante lors des transformations liquide <=> gaz. Notons que l'eau, l'argent, le bismuth et la fonte de fer sont les rares corps dont le volume augmente lors de la solidification (ce qui explique que des canalisations ne r sistent pas au gel) ; ainsi l'eau se dilate en se congelant.

3 A 0 C, sa masse volumique est de 916,8 kg/m alors qu' l' tat liquide elle est de 1000 kg/m . Cette dilatation, de l'ordre de 10 % est l'ori-gine de nombreux d g ts dans les r seaux vapeur /condensat soumis au gel. Les propri t s physiques de la vapeur sont caract ris es par des grandeurs (pression, temp ra-ture, chaleur, volume massique ou encore masse volumique). A chaque grandeur est associ e une unit . Nous utiliserons autant que possible les unit s du syst me international ( ). Pression relative = Pression Absolue - Pression atmosph rique avec Pression atmosph rique = 1,013 bar absolue. Relation pression / temp rature La temp rature de vaporisation de l eau augmente lorsque la pression augmente. Cette rela-tion est rigoureusement pr cise et imm diate condition d avoir des valeurs de pression et temp rature inf rieures celle du point critique (222,2 bar, 374,15 C). Ainsi sous une pression de 1,00 bar absolu, on a une temp rature d bullition de 100 C.

4 On peut, l aide de la table (voir page 13), lire que pour une pression de 10 bar, la temp rature d bullition est de 179 C. Christophe Alleau La vapeur d'eau 3/15 Figure 1 Courbe de vaporisation de l'eau Formule de Duperray Ainsi, l aide de la formule de Duperray, on peut estimer la valeur de la pression de vaporisa-tion en fonction de la temp rature pour une pression comprise entre 1 et 40 bar : 4SS100T=P o : PS est la pression absolue en bar, TS la temp rature en C. Par exemple, sous une pression absolue de 20 bar, la temp rature d bullition est de 211 C. A l aide de la table (voir page 13), on peut lire que la temp rature r elle d bullition est de 212 C soit une erreur avec la formule de Duperray inf rieure 0,50 % sur la d termination de la temp rature. 05010015020025030005101520253035404550 Temp rature de vaporisation (en C)Pression absolue (en bar) Christophe Alleau La vapeur d'eau 4/15 Masse volumique de la vapeur Cas de la vapeur satur e Entre 5 et 80 bar, la formule de Bertin permet d estimer la masse volumique de la vapeur d eau satur e.

5 2 PSS o : PS : pression absolue en bar, S : masse volumique de la vapeur satur e en kg/m3. Pour la pression de 20 bar, on calcule que la masse volumique est de 10 kg/m3. Avec la table (voir page 13), on trouve aussi 10 kg/m3 ! Cas de la vapeur surchauff e Une valeur approch e peut tre obtenue l aide de la formule de Callendar : 05101520253035404550051015202530 Pression absolue (en bar)Masse volumique (en kg/m3) Christophe Alleau La vapeur d'eau 5/15 )T-0,00252(T+11=SS o : : la masse volumique de la vapeur surchauff e en kg/m3, S :masse volumique de la vapeur satur e en kg/m3 la pression consid r e, T : temp rature de la vapeur surchauff e en K ou C ; TS : temp rature de vaporisation en K ou C. Application On a de la vapeur une temp rature T de 225 C et une pression absolue de 10 bar. Type de vapeur Pour cette pression, la temp rature TS correspondant celle de la vapeur satur e est donn e par la formule de Dupperay soit une temp rature de 177 C donc la temp rature mesur e T tant sup rieure, on en d duit qu il s agit de vapeur surchauff e.

6 Caract ristique de la vapeur satur e A l aide de la formule de Bertin, on calcule la valeur de la masse volumique S de la vapeur satur e cette pression, soit 5,00 kg/m3. Masse volumique de la vapeur surchauff e A l aide de la formule de Callendar, on calcule alors la valeur de la masse volumique de la vapeur surchauff e cette pression, soit 4,49 kg/m3. La valeur exp rimentale tant de 4,55 kg/m3. On peut donc consid rer que ces formules permettent d obtenir des r sultats satisfai-sants. Volume massique Le volume massique est l inverse de la masse volumique. La vapeur est un gaz, elle est donc compressible. Plus la pression augmente, plus le volume massique diminue. Ainsi 10 bar le volume occup par une certaine masse de vapeur est approximativement 10 fois plus petit qu 1 bar ; donc pour v hiculer la m me masse de vapeur une section de tuyauterie 10 fois plus petite sera suffisante. Pouvoir de dissolubilit L'eau pure (H20), pratiquement inexistante sur terre, est un solvant redoutable.

7 En traversant les couches g ologiques, elle se chargera de nombreux mat riaux dissous. Les plus abondants sont : les sels de calcium, de magn sium, la silice, le fer le cuivre. Plus elle sera charg e de solides dissous, moins elle sera agressive. Elle absorbera galement des gaz : le dioxyde de carbone (CO2), qui est tr s soluble dans l'eau, l'oxyg ne (O2), Christophe Alleau La vapeur d'eau 6/15 l'azote (N2), Tous ces corps trangers contenus dans l'eau auront des effets plus ou moins n fastes sur une installation de vapeur . Vaporisation la pression atmosph rique Chaleur massique isobare Par d finition, la chaleur massique isobare (en J/kg/K), not e cP, appel e aussi chaleur sp ci-fique, est l nergie qu il faut fournir une masse M d un corps pour lever sa temp rature de 1,00 C lorsque la pression est constante. Par ailleurs, la capacit calorifique (en J/K) est la quantit de chaleur re ue ou fournie une masse de 1,00 kg d un corps pour lever sa temp -rature de 1,00 C.

8 A une variation de 1,00 K correspond une variation de 1,00 C Ainsi pour de l eau la pression atmosph rique, on lit dans le tableau (voir page 13) que sa chaleur massique isobare est de 4,19 kJ/kg/K alors qu elle est de 4,23 kJ/kg/K sous 10 bar. cP = chaleur massique isobare Figure 2 Evolution de la chaleur massique isobare de l eau en fonction de la pression Compar e aux autres corps, l'eau poss de une chaleur sp cifique lev e ; celle-ci est environ le double de celle d'un alliage comme l'acier au carbone. Plus la pression augmente, plus la chaleur massique isobare augmente. D'une mani re g n rale, la quantit de chaleur absorb e par un corps soumis une l vation de temp rature (sans changement d tat) peut s' crire : )(mc=Qifp 051015202530354045504,154,24,254,34,354, 4 Pression absolue (en bar) Christophe Alleau La vapeur d'eau 7/15 o : Q est l nergie re ue (Q>0) ou c d e (Q<0) par le corps (en J), m est la masse de ce corps (en kg), cP est la chaleur massique la pression P (en kJ/kg/ C), f est la temp rature finale de ce corps (en K ou C), i est la temp rature initiale de ce corps (en K ou C).

9 1 Calorie = 4,19 Joules Les chaudi res et la plupart des appareils de production de vapeur fonctionnent pression constante (en g n ral, la pression atmosph rique). Il est alors commode d utiliser l enthalpie comme nergie pour la vapeur d eau. On choisit donc pour la mesure des nergies, la temp rature de 0 C. Toutes les enthalpies sont donc des diff rences d nergie entre l enthalpie dans un tat (T,P) et celle 0 C pour la pression P. Ainsi une masse de 1,00 kg d'eau liquide contenue dans un r cipient la pression atmosph -rique 20 C poss de 83,8 kJ d'enthalpie. Si l'on chauffe cette eau, on constate que sa temp -rature s' l ve jusqu 100 C. Ce kilogramme d'eau , l' tat liquide, poss de alors une nergie de 419,0 kJ par rapport 0 C, appel e enthalpie ou encore chaleur sensible. Donc pour lever sa temp rature de 20 C 100 C la pression atmosph rique, il faut lui fournir une nergie de 335 kJ. Le passage de la temp rature d une eau l tat liquide de 0 100 C n cessite donc l'apport de 419,0 kJ/kg d eau.

10 Pour chaque degr d' l vation de temp rature, il faut fournir en moyenne 4,19 kJ/kg. La variation d nergie contenue dans l'eau est donc proportionnelle la variation de temp rature. L nergie n cessaire pour lever la temp rature d une masse d eau de 0 C sa temp ra-ture d bullition s'appelle l'enthalpie de l'eau. Enthalpie de vaporisation Si l'on continue chauffer notre masse d'eau 100 C sous la pression atmosph rique, on constate que sa temp rature reste constante et gale 100 C. Les premi res fumerolles de vapeur apparaissent jusqu' la disparition totale de l'eau l' tat liquide. La transformation du kilogramme d'eau liquide en gaz ou vapeur d'eau , appel e vaporisation, n cessite une quantit importante d' nergie appel e chaleur latente de vaporisation ou enthal-pie de vaporisation. Christophe Alleau La vapeur d'eau 8/15 Figure 3 Evolution de l enthalpie de vaporisation en fonction de la pression Le ph nom ne est r versible et la transformation de vapeur en eau, appel e liqu faction, ne se fera qu' condition de transmettre l enthalpie de vaporisation un autre corps qui se r chauf-fera.