Qu’est-ce que la vapeur surchauffée – Définition

La vapeur surchauffée est une vapeur à une température supérieure à son point d’ébullition à la pression absolue. Les propriétés de la vapeur sèche sont présentées dans des tableaux de vapeur. Génie thermique

Vapeur surchauffée

Diagramme de phase de l'eau
Diagramme de phase de l’eau.
Source: wikipedia.org CC BY-SA

Comme le montre le diagramme de phase de l’eau, dans les régions à deux phases (par exemple, à la limite des phases vapeur / liquide), la spécification de la température seule déterminera la pression et la spécification de la pression définira la température.

  • La courbe de vapeur de saturation est la courbe séparant l’état diphasique de l’état de vapeur surchauffée dans le diagramme Ts.
  • La courbe liquide saturé est la courbe séparant l’état liquide sous-refroidi et l’état biphasé dans le diagramme Ts.

Si une vapeur existe entièrement sous forme de vapeur à la température de saturation, on l’appelle vapeur saturée ou vapeur saturée ou vapeur sèche . La vapeur sèche saturée est caractérisée par la qualité de la vapeur, qui est égale à l’unité. La vapeur surchauffée ou vapeur surchauffée est une vapeur à une température supérieure à son point d’ébullition à la pression absolue à laquelle la température est mesurée. La pression et la température de la vapeur surchauffée sont des propriétés indépendantes, car la température peut augmenter alors que la pression reste constante. En réalité, les substances que nous appelons gaz sont des vapeurs extrêmement surchauffées.

thermodynamique technique
Rankine Cycle – La thermodynamique en tant que science de la conversion d’énergie

Le processus de surchauffe de la vapeur d’eau dans le diagramme Ts est présenté sur la figure entre l’état E et la courbe de vapeur saturante. Comme on peut le constater, les turbines à vapeur humide utilisent de la vapeur surchauffée, en particulier à l’entrée des étages à basse pression. Pour évaluer l’efficacité thermique du cycle, l’enthalpie doit être obtenue à partir des tables de vapeur surchauffée .

Le processus de surchauffe est le seul moyen d’ augmenter la température maximale du cycle de Rankine (et d’augmenter l’efficacité) sans augmenter la pression de la chaudière. Cela nécessite l’ajout d’un autre type d’échangeur de chaleur appelé surchauffeur , qui produit la vapeur surchauffée .

Dans le surchauffeur, un chauffage supplémentaire à une pression fixe entraîne une augmentation de la température et du volume spécifique. Le processus de surchauffe dans le diagramme Ts est présenté dans la figure entre l’état E et la courbe de vapeur de saturation .

En règle générale la plupart des centrales nucléaires fonctionne à condensation des turbines à vapeur à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage à haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est une vapeur presque saturée – x = 0,995 – point C sur la figure) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers un séparateur-réchauffeur d’humidité (point D). La vapeur doit être réchauffée ou surchaufféeafin d’éviter des dommages pouvant être causés aux aubes de turbine à vapeur par de la vapeur de mauvaise qualité. Une teneur élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer l’impact et l’érosion rapides des pales lors de la projection d’eau condensée sur les pales. Pour éviter cela, des drains de condensat sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine. Le réchauffeur réchauffe la vapeur (point D), qui est ensuite dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (points E à F). La vapeur évacuée est à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et se trouve dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité voisine de 90%.

 

Qualité de vapeur – Fraction de sécheresse

surchauffe-vapeur-minComme on peut le voir sur le diagramme de phase de l’eau , dans les régions à deux phases (par exemple à la frontière des phases vapeur / liquide), la spécification de la température seule définira la pression et la pression spécifie la température. Mais ces paramètres ne définiront pas le volume et l’enthalpie car il faudra connaître la proportion relative des deux phases présentes.

La fraction massique de la vapeur dans une région liquide-vapeur à deux phases est appelée la qualité de la vapeur (ou fraction de sécheresse), x , et elle est donnée par la formule suivante:

la qualité de la vapeur

La valeur de la qualité varie de zéro à l’unité . Bien que définie comme un rapport, la qualité est souvent donnée en pourcentage. De ce point de vue, nous distinguons trois types de vapeur de base. Il faut ajouter, à x = 0, on parle d’état liquide saturé (monophasé).

Cette classification de la vapeur a ses limites. Tenez compte du comportement du système chauffé à la pression, qui est supérieure à la pression critique . Dans ce cas, il n’y aurait pas de changement de phase du liquide à la vapeur. Dans tous les États, il n’y aurait qu’une seule phase. La vaporisation et la condensation ne peuvent se produire que lorsque la pression est inférieure à la pression critique. Les termes liquide et vapeur ont tendance à perdre leur signification.

Voir aussi: Saturation

Propriétés de Steam – Steam Tables

L’eau et la vapeur sont un fluide commun utilisé pour l’échange de chaleur dans le circuit primaire (de la surface des crayons combustibles au flux de liquide de refroidissement) et dans le circuit secondaire. Il est utilisé en raison de sa disponibilité et de sa capacité thermique élevée, tant pour le refroidissement que pour le chauffage. Il est particulièrement efficace pour transporter la chaleur par vaporisation et condensation de l’eau en raison de sa très grande chaleur latente de vaporisation .

Un inconvénient est que les réacteurs à eau modérée doivent utiliser un circuit primaire à haute pression pour maintenir l’eau à l’ état liquide et pour atteindre une efficacité thermodynamique suffisante. L’eau et la vapeur réagissent également avec les métaux que l’on trouve couramment dans les industries comme l’acier et le cuivre, qui sont oxydés plus rapidement par l’eau et la vapeur non traitées. Dans presque toutes les centrales thermiques (charbon, gaz, nucléaire), l’eau est utilisée comme fluide de travail (utilisé en boucle fermée entre la chaudière, la turbine à vapeur et le condenseur) et le liquide de refroidissement (utilisé pour échanger la chaleur perdue vers un plan d’eau). ou l’emporter par évaporation dans une tour de refroidissement).

Propriétés de l'eau - tables à vapeur
Tables de vapeur – paramètres communs dans les systèmes énergétiques

L’eau et la vapeur sont un milieu commun car leurs propriétés sont très connues . Leurs propriétés sont tabulées dans ce qu’on appelle des « tables de vapeur ». Dans ces tableaux, les propriétés de base et clés, telles que la pression, la température, l’enthalpie, la densité et la chaleur spécifique, sont présentées sous forme de tableau de la courbe de saturation vapeur-liquide en fonction de la température et de la pression. Les propriétés sont également présentées sous forme de tableau pour les états monophasés ( eau comprimée ou vapeur surchauffée) sur une grille de températures et de pressions allant jusqu’à 2000 ºC et 1000 MPa.

D’autres données complètes et faisant autorité peuvent être trouvées sur la page du NIST Webbook sur les propriétés thermophysiques des fluides.

Voir aussi: Tables Steam

Référence spéciale: Allan H. Harvey. Propriétés thermodynamiques de l’eau, NISTIR 5078. Extrait de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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