vapeur saturée vs vapeur surchauffée
Dans une chaudière, l'énergie du carburant est transféré à l'eau liquide afin de créer de la vapeur. Dans un premier temps, l'eau froide se réchauffe et reçoit de l'énergie sous forme de « chaleur sensible », à droite jusqu'au point d'ébullition.
Une fois que le point d'ébullition est atteint, la température de l'eau cesse d'augmenter et reste la même jusqu'à ce que toute l'eau est vaporisée. L'eau passe d'un état liquide à un état vapeur et reçoit de l'énergie sous la forme de « chaleur latente de vaporisation. » Tant que il y a un peu d'eau liquide à gauche, la température de la vapeur est la même que celle de l'eau liquide. La vapeur est alors appelée vapeur saturée.
Lorsque toute l'eau est vaporisée, toute adjonction ultérieure de la chaleur augmente la température de la vapeur. À vapeur chauffé au-delà du niveau de la vapeur saturée est appelée vapeur d'eau surchauffée.
Pourquoi la vapeur saturée généralement préférable à la vapeur surchauffée?
Les industries utilisent normalement la vapeur saturée pour le chauffage, la cuisson, le séchage ou d'autres procédures. La vapeur surchauffée est utilisée presque exclusivement pour les turbines. Les différents types de vapeur ont des capacités différentes d'échange d'énergie et ce qui justifie leurs différents usages.
Figure 1. La capacité de transfert de chaleur (U) en fonction de l'état physique de l'eau.
la capacité de transfert d'énergie, également connu en tant que coefficient de transfert de chaleur (U), est utilisé pour comparer les types de vapeur. Sa valeur est déterminée par le nombre de watts qui traverse par unité de surface et par degré de différence de température. Plus cette valeur est élevée, plus le transfert de chaleur pour une situation donnée.
La figure 1 montre la capacité de transfert de chaleur en fonction de la source de vapeur utilisée. Nous pouvons voir que la capacité de transfert de chaleur de la vapeur saturée est beaucoup plus élevée que celle de l'eau ou de la vapeur surchauffée.
La vapeur surchauffée doit refroidir avant de se condenser
La vapeur surchauffée ne donne que la chaleur sensible dans un échangeur. Il faut donc refroidir avant de chauffer une autre substance. La vapeur surchauffée collée à une surface se refroidit tout en produisant de l'énergie à l'échangeur. Cependant, la vapeur surchauffée plus loin de la surface ne peut pas refroidir facilement vers le bas et donner son énergie, car la vapeur surchauffée est un isolant (un mauvais conducteur de chaleur), comme tous les gaz.
La vapeur surchauffée est un isolant thermique
Figure 2. Profil de température à proximité de la surface d'un échangeur de chaleur utilisant de la vapeur surchauffée.
vapeur d'eau surchauffée a le même coefficient U que l'air, qui est utilisé dans tous les bons isolants, tels que la laine minérale ou mousse de polystyrène.
Parce qu'il conduit mal la chaleur, de la vapeur surchauffée a une faible capacité de transfert de chaleur, même si elle est plus chaud que la vapeur saturée et contient plus d'énergie. Le fait que la conduction de chaleur est faible en vapeur d'eau surchauffée induit un profil de température entre la vapeur et la surface de chauffage. La figure 2 montre ce profil.
Le transfert de chaleur est de loin supérieure lorsque la vapeur est saturée
Etant donné que la température de la vapeur saturée est uniforme. pas de profil de température peut apparaître entre la vapeur et la surface de chauffage.
Nous avons vu précédemment que la capacité d'échange d'énergie de l'eau liquide est inférieure à celle de la vapeur saturée. Le film de condensat formé sur la surface de chauffage est attiré par la gravité et coule vers le fond de l'échangeur. Cette épaisseur de film est relativement uniforme sur toute la surface de chauffage de l'appareil, à moins que la surface de chauffage est trop long à la verticale. Le débit égalise la température du film de condensat et empêche la formation d'un profil de température. Cela permet de maintenir au maximum le transfert de chaleur entre la vapeur et le liquide.
La figure 3 montre un profil de température lorsque la vapeur saturée est utilisée. La différence avec la figure précédente est qu'il y a maintenant une couche d'eau de condensation sur la surface de chauffage et la température de la vapeur d'eau est constante.
Figure 3. Profil de température à proximité de la surface d'un échangeur de chaleur utilisant de la vapeur saturée.
La vapeur surchauffée est plus efficace dans une turbine
Dans une turbine, la vapeur doit être sec. Les gouttelettes d'eau ne sont pas autorisés, car ils pourraient briser les ailettes. A la grande vitesse de rotation des pales dans une turbine, la force centrifuge appliquée sur les petites gouttes d'eau peut devenir très important, déséquilibrer les pales et les amener à briser. C'est la première raison pour laquelle la vapeur surchauffée est meilleure dans une turbine.
Dans une turbine, il est la quantité de travail fourni par la vapeur qui compte. La quantité de travail que l'approvisionnement en vapeur dépend de son énergie et de la vapeur surchauffée contient plus d'énergie que la vapeur saturée. La vapeur surchauffée pousse sur les aubes d'une turbine, au lieu de condenser et de perdre sa capacité à produire son énergie sous forme de travail. C'est la deuxième raison pour laquelle la vapeur surchauffée est plus efficace dans une turbine.