Les différents états de l'eau et de la vapeur
Lorsque l'eau est chauffée au-delà de son point d'ébullition, elle s'évapore, c'est-à-dire qu'elle devient de l'eau à l'état gazeux. La vapeur d'eau peut toutefois prendre diverses formes. Ses propriétés varient grandement en fonction de la pression et de la température à laquelle elle est soumise.
Dans l'article sur les applications de la vapeur, nous avons présenté plusieurs types d'applications utilisant la vapeur. Dans l'article qui suit, nous discuterons des types de vapeur qu'utilisent ses applications.
Effet de la pression sur la température de l'eau/ de la vapeur
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On obtient de la vapeur saturée (sèche) en bouillant de l'eau jusqu'à son point d'ébullition (chaleur sensible) et ensuite en lui fournissant encore plus de chaleur pour qu'elle se vaporise (chaleur latente). Si cette vapeur est chauffée au-delà de son point de saturation, elle devient de la vapeur surchauffée (chaleur sensible).
Vapeur d'eau saturée
Comme indiqué par la ligne grise sur le graphique ci-dessus, la vapeur d'eau saturée existe seulement à une température et à une pression où l'eau à l'état liquide et la vapeur à l'état gazeux peuvent coexister ensemble. C'est-à-dire qu'on obtient la vapeur d'eau saturée lorsque la vitesse de vaporisation de l'eau est égale à celle de sa condensation.
Avantages d'utiliser la vapeur d'eau saturée comme source de chaleur
La vapeur d'eau saturée est une source idéale de chaleur, surtout pour le chauffage à des températures supérieures à 100 °C (212°F). Voici certaines des propriétés qu'elle a à offrir:
| Propriété | Avantage |
| Chauffage rapide et uniforme à l'aide de la chaleur latente | Amélioration de la qualité du produit et de la productivité |
| La pression contrôle la température | Possible d'établir la température désirée rapidement et précisément |
| Coefficient de transmission de chaleur élevé | Surface de transmission de la chaleur plus petite que l'eau chaude, réduisant les coûts d'installations |
| Provient de l'eau | Sécuritaire, propre et peu coûteux |
Conseils
Voici certains conseils liés au chauffage à la vapeur:
- L'efficacité thermique d'un système peut diminuer si toute autre vapeur que la vapeur d'eau sèche est utilisée. Contrairement à ce que beaucoup de gens croient, la grande majorité de la vapeur d'eau produite par une chaudière n'est pas sèche, mais humide et contient donc de fines gouttelettes d'eau à l'état liquide.
- Une partie de la vapeur se condense à cause des pertes de chaleur rayonnante. La vapeur humide devient donc encore plus humide, ce qui peut causer une accumulation de condensat dans les conduites. Ce condensat doit être évacué en installant des purgeurs à vapeur aux endroits appropriés.
- Le condensat accumulé dans les conduites doit être évacué à l'aide de purgeurs installés sur des collecteurs de condensat. Le condensat en suspension (fines gouttelettes) peut aussi réduire l’efficacité thermique et devrait être évacué à l'aide de séparateurs installés près des points d'utilisation et de distribution.
- La température de la vapeur peut diminuer si la vapeur subit une baisse de pression en raison de la friction contre les parois des conduites.
Vapeur humide
C'est la forme de vapeur la plus communément vue en usine. La vapeur produite par une chaudière contient normalement un certain degré d'humidité à cause de fines gouttelettes d'eau qui sont emportées avec la vapeur. Même les meilleures chaudières produisent souvent de la vapeur avec un degré d'humidité de 3% à 5%. Lorsque l'eau atteint sont point de saturation et commence à se vaporiser, il y a normalement une certaine partie de cette eau qui est entraînée avec le courant de vapeur sous la forme de fines gouttelettes. C'est une des raisons pour lesquelles on utilise la séparation comme méthode d'évacuation de condensat dans les lignes de distribution de vapeur.
Vapeur surchauffée
La vapeur d'eau surchauffée est obtenue en chauffant la vapeur d'eau sèche (saturée) ou humide au-delà de son point de saturation. Ainsi, la température de la vapeur surchauffée est supérieure à celle de la vapeur saturée alors que sa masse volumique est inférieure à celle-ci pour une même pression. La vapeur d'eau surchauffée est surtout utilisée à des fins motrices comme dans les turbines, et n'est pas habituellement utilisée comme source de chaleur.
Avantages d'utiliser la vapeur surchauffée pour entraîner une turbine:
- Aide à maintenir les installations sèches lorsque leur performance pourrait être affectée par la présence de condensat.
- Améliore l'efficacité thermique et la charge de production, ex. pour obtenir un plus gros changement de masse volumique à l'état surchauffé à pressions basses ou sous vide.
Il est avantageux de fournir et d'évacuer la vapeur à l'état surchauffé pour empêcher la formation de condensat à l'intérieur des installations utilisant la vapeur surchauffée (en situation d'opération normale). Ceci diminue les risques de dommages causés par l'érosion ou la corrosion due à l'acide carbonique. De plus, augmenter le degré de surchauffe et la pression fait accroître l'enthalpie à l'entrée de la turbine, ce qui fait augmenter l'efficacité thermique théorique de la turbine puisqu'elle est calculée en utilisant les valeurs d'enthalpie à l'entrée et à la sortie de la turbine.
Désavantages d'utiliser la vapeur surchauffée pour chauffer
| Propriété | Désavantage |
| Coefficient de transmission de chaleur plus bas | Productivité réduite |
| Nécessité d'une plus grande surface de transmission de la chaleur | |
| Pour une même pression, la température de la vapeur n'est pas nécessairement uniforme | La vapeur surchauffée doit être maintenue à une vitesse élevée pour empêcher les pertes de chaleur |
| Chauffage avec la chaleur sensible | Les chutes de température peuvent avoir un effet néfaste sur la qualité du produit |
| La vapeur surchauffée peut atteindre des températures très élevées | Les installations nécessitent des matériaux plus robustes, ce qui augmente les coûts d'installation |
C'est donc pour ces raisons et pour plusieurs autres qu'il est préférable d'utiliser la vapeur saturée au lieu de la vapeur surchauffée comme source de chaleur dans les échangeurs de chaleur. En revanche, la vapeur surchauffée peut parfois avoir ses utilisations comme source de chaleur directe pour les procédés demandant des températures très élevées puisque, contrairement à l'air, elle peut fournir de la chaleur en l'absence d'oxygène. L'utilisation de la vapeur surchauffée pour la cuisson ou le séchage dans les procédés alimentaires fait aussi l'objet de recherches.
Eau supercritique
L'eau supercritique désigne de l'eau au-delà de son point critique: 22.1MPa, 374 °C [3208 psia, 705°F]. Au point critique, la chaleur latente de l'eau devient nulle. De plus, sa masse volumique ne change pas, qu'elle soit à l'état liquide ou gazeux. Ainsi, lorsque l'eau se trouve à une température et à une pression plus élevées que son point critique, il est impossible de distinguer si elle est à l'état liquide ou gazeux.
L'eau supercritique est utilisée pour entraîner les turbines de certaines centrales électriques qui demandent un niveau d’efficacité supérieur à celui que peut offrir la vapeur. De plus, des recherches sont entrain d'être effectuées sur l'eau supercritique en tant que fluide ayant les propriétés à la fois d'un liquide et d'un gaz, en particulier sur sa capacité d'agir comme solvant pour les réactions chimiques.
Catégorisation des différents états de l'eau
Eau non saturée
Voici l'eau sous sa forme la plus connue. Environ 70% de la masse du corps humain est composée d'eau. Dans sa forme liquide, les liaisons d'hydrogène lient les molécules ensemble, ce qui donne à l'eau non saturée sa structure spécialement compacte, dense et stable.
Vapeur d'eau saturée
Les molécules de vapeur d'eau saturée sont invisibles. Lorsque la vapeur saturée s'échappe d'une conduite et se disperse à travers l'atmosphère, elle se condense en partie en transférant sa chaleur à l'air environnant et une buée se forme (fines gouttelettes d'eau). Lorsque la vapeur d'eau contient de fines gouttelettes d'eau, on la dénomme vapeur d'eau humide.
Dans un système-vapeur, de la vapeur d'eau de revaporisation sortant d'un purgeur est souvent mal interprétée pour de la vapeur d'eau saturée. Il est important de distinguer les deux: la vapeur saturée est au départ invisible lorsqu'elle s'échappe d'une conduite alors que la vapeur de revaporisation contient des gouttelettes d'eau à l'instant même où elle se forme.
Vapeur surchauffée
Pourvu qu'elle demeure à l'état surchauffé, la vapeur surchauffée ne se condensera pas même si elle entre en contact avec l'atmosphère et sa température baisse. Ainsi, aucune buée ne peut être vue. La vapeur d'eau surchauffée contient plus de chaleur que la vapeur d'eau saturée pour une même pression. De plus, le mouvement des molécules est plus intense, ce qui lui donne une masse inférieure à celle-ci.
Eau supercritique
Bien que ce ne soit pas possible d'établir l'état de cette eau seulement en la regardant, l'eau supercritique n'est ni un liquide, ni un gaz. En somme, son mouvement moléculaire se rapproche de celui d'un gaz alors que sa masse volumique se rapproche de celle d'un liquide.
