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Vapeur: notions de base

Les applications de la vapeur

La vapeur d'eau est utilisée dans un grand nombre d'industries. Ses applications les plus courantes sont sur les procédés de chauffage dans les usines ou pour la rotation de turbines dans les centrales électriques, mais l'utilisation de la vapeur dans le secteur secondaire ne se limite pas à cela.

Voici une liste d'applications courantes de la vapeur dans divers secteurs industriels:

  • Chauffage/stérilisation
  • Propulsion/entraînement
  • Agent moteur
  • Atomisation
  • Nettoyage
  • Hydratation
  • Humidification

Dans les sections qui suivent, nous allons discuter de diverses applications de la vapeur en donnant des exemples d'installations utilisant celle-ci.

La vapeur comme source de chaleur

La vapeur à pression positive

La vapeur est normalement produite et distribuée à pression positive. Cela veut normalement dire qu'on alimente les installations avec de la vapeur à une pression plus élevée que 0 MPaG [0 psig] et à une température supérieure à 100°C [212°F].

Le chauffage à vapeur à pression positive est souvent utilisé dans les usines de transformation des aliments, les raffineries, les usines de produits chimiques, etc. On y utilise de la vapeur d'eau saturée comme source de chaleur dans des installations comme les échangeurs de chaleur, les rebouilleurs, les préchauffeurs d'air, etc.

Échangeur de chaleur à calandres

Shell and Tube Heat Exchanger

Dans un échangeur de chaleur, la vapeur d'eau chauffe le produit pour ensuite se transformer en condensât qui est alors évacué à l'aide d'un purgeur à vapeur.

Four à vapeur

Steam Oven

À pression atmosphérique normale, il est facile de produire de la vapeur surchauffée qui atteint les 200 à 800°C (392 - 1472°F). Cette vapeur est souvent utilisée dans les fours à vapeur domestiques.

La vapeur sous vide

Récemment, l'utilisation de la vapeur à des températures inférieures à 100°C (212°F), domaine souvent réservé à l'eau chaude, est de plus en plus répandue.

Tout comme pour la vapeur à pression positive, la température de la vapeur sous vide peut être ajustée rapidement en ajustant la pression. Ceci permet de contrôler la température du milieu chauffant de manière plus précise que l'eau chaude. Une pompe à vide doit toutefois être utilisée puisque seulement réduire la pression ne permet pas l'obtention de pressions inférieures à celle de l'atmosphère.

Chauffage à l'aide de la chaleur latente (vapeur)

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Les systèmes de chauffage à la vapeur transmettent la chaleur plus rapidement et uniformément que ceux utilisant l'eau chaude. La température désirée est rapidement atteinte sans causer de températures inégales.

La vapeur comme mécanisme de propulsion/d'entraînement

La vapeur est régulièrement utilisée pour la propulsion (force d'entraînement) dans des applications comme les turbines à vapeur. La turbine à vapeur est une pièce d'équipement essentielle à la production d'électricité dans les centrales électriques thermiques. Afin d'augmenter le rendement de ces centrales, des recherches se poursuivent visant à utiliser la vapeur à des pressions et à des températures de plus en plus élevées . Certaines centrales électriques thermiques utilisent de la vapeur surchauffée à 25 MPa abs (3625 psia), 610°C (1130°F) avec leurs turbines.

La vapeur surchauffée est souvent utilisée pour réduire les dommages causés par la circulation de condensât. Toutefois, l'utilisation de vapeur à des température élevées doit être évitée pour certaines centrales nucléaires où son utilisation pourrait causer des problèmes liés au composant des turbines. On utilise plutôt de la vapeur saturée à température élevée. Pour ces applications, l'installation de séparateurs dans les conduites d'alimentation est souvent recommandée afin de retirer le condensât véhiculé par la vapeur.

À part les centrales thermiques, la vapeur d'eau est aussi utilisée pour la propulsion avec des compresseurs à turbines ou des turbopompes, comme par exemple dans des tours de refroidissement.

Turbine de centrale électrique

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La force d'entraînement de la vapeur entraîne les ailettes, ce qui fait tourner le rotor de la turbine attaché au générateur électrique.

La vapeur comme agent moteur

La vapeur d'eau peut aussi être utilisée comme agent moteur direct qui sert à propulser un liquide ou un gaz à travers une conduite. Un éjecteur à vapeur peut être utilisé pour créer un vide dans certaines installations comme, par exemple, lors de la distillation d'un fluide dans une tour de distillation. Un éjecteur peut aussi être utilisé pour aspirer l'air d'un condenseur par surface afin de créer le vide nécessaire au fonctionnement d'une turbine à condensâtion.

Éjecteur pour condenseur par surface

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De la vapeur d'eau à pression élevée est éjectée à travers la tuyauterie d'admission et diffusée par après. Ceci crée une zone de pression basse qui aspire l'air du condenseur par surface.

De la même façon, on utilise aussi la vapeur d'eau comme agent moteur avec des canalisations d'évacuation utilisées pour pomper le condensât hors de collecteurs, de vases de vapeur de revaporisation ou d'installations éprouvant des problèmes liés au phénomène de blocage.

La vapeur comme moyen d'atomisation

L'atomisation à vapeur est un procédé où la vapeur d'eau sépare un fluide mécaniquement. Dans certains brûleurs, par exemple, on injecte de la vapeur d'eau à l'intérieur du combustible afin d'augmenter l'efficacité du procédé de combustion et de minimiser la production d'hydrocarbures (suie). Les chaudières ou les générateurs d'électricité à combustion utilisent parfois cette méthode pour diviser l'huile vicieuse en fines gouttelettes et ainsi brûler plus efficacement. Les torches utilisent aussi l'atomisation par vapeur afin de réduire les polluants inclus dans les gaz d'échappement.

Torche à atomisation par vapeur

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De la vapeur d'eau est souvent mélangée aux gaz d'échappement de torches avant la combustion.

La vapeur comme nettoyant

La vapeur peut être utilisée pour le nettoyage d'une grande variété de surfaces. Son utilisation dans les souffleur de suie est un exemple de ce rôle. Les chaudières utilisant l'huile ou le charbon comme combustible doivent être équipées d'un ou de plusieurs souffleurs de suie pour nettoyer les murs intérieurs de la fournaise et pour enlever les dépôts de combustibles sur la surface de convection. L'entretien des ces surfaces est nécessaire au maintien de la capacité de la chaudière, de son efficacité et de sa fiabilité.

Nettoyage des tubes d'une chaudière

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Un jet de vapeur sort de la tige du souffleur de suie et déloge les cendres et la crasse, qui sont retirées par après ou évacuées avec les gaz combustibles.

La vapeur comme hydratant

La vapeur d'eau est parfois utilisée pour transférer de la chaleur tout en hydratant un produit. On utilise, par exemple, la vapeur comme hydratant durant la production de papier pour s'assurer qu'aucune déchirure microscopique ait lieu. Les presses à agglomérer les aliments du bétail en sont un autre exemple. Souvent ces presses injectent de la vapeur directement sur le produit afin de le chauffer et de l'hydrater d'un seul coup.

Presse pour aliments du bétail

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Le procédé d'hydratation ramollit les aliments et gélatinise en partie leur contenu en amidons, ce qui leur donne une texture plus ferme.

La vapeur comme agent humidificateur

Dans les régions à climat froid, on utilise souvent de la vapeur saturée à pression basse comme source de chaleur pour les systèmes de chauffage de bâtiments commerciaux et industriels. Des humidificateurs à vapeur sont souvent utilisés en conjonction avec ces systèmes pour améliorer la qualité de l'air, ce qui peut aider, par exemple, à mieux préserver les livres et autres documents, à améliorer le confort et à prévenir l'infection. Lorsque l'air froid est réchauffé par la vapeur circulant à travers le système, l'air devient sec. On réajuste donc le niveau d'humidité en injectant de la vapeur d'eau saturée dans le courant d'air réchauffé.

Humidificateur à vapeur dans un conduit d'air

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De la vapeur d'eau est utilisée pour humidifier l'air avant d'être distribué à travers les différentes régions d'un bâtiment.