{"id":43182,"date":"2019-10-08T10:22:29","date_gmt":"2019-10-08T09:22:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/quest-ce-que-lebullition-et-la-condensation-definition\/"},"modified":"2020-02-06T10:33:55","modified_gmt":"2020-02-06T09:33:55","slug":"quest-ce-que-lebullition-et-la-condensation-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/fr\/quest-ce-que-lebullition-et-la-condensation-definition\/","title":{"rendered":"Qu’est-ce que l’\u00e9bullition et la condensation – D\u00e9finition"},"content":{"rendered":"
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L’\u00e9bullition et la condensation diff\u00e8rent des autres formes de convection en ce qu’elles d\u00e9pendent de la chaleur latente de vaporisation, qui est tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e.\u00a0\u00c9bullition et condensation<\/div>\n<\/div>\n
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\u00c9bullition et condensation<\/h2>\n
\"Diagramme<\/a>
Diagramme de phase de l’eau.
\nSource: wikipedia.org CC BY-SA<\/figcaption><\/figure>\n

Dans les chapitres pr\u00e9c\u00e9dents, nous avons trait\u00e9 du\u00a0transfert de chaleur par convection<\/strong><\/a>\u00a0avec une hypoth\u00e8se tr\u00e8s importante.\u00a0Nous avons suppos\u00e9 un\u00a0transfert de chaleur par convection monophas\u00e9<\/strong>\u00a0sans changement de phase.\u00a0Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur le transfert de chaleur par convection associ\u00e9 au\u00a0changement de phase d\u2019un fluide<\/strong>\u00a0.\u00a0Nous consid\u00e9rons en particulier les processus qui peuvent se produire \u00e0 une interface solide-liquide ou solide-vapeur, \u00e0 savoir l\u2019\u00a0\u00e9bullition<\/strong>\u00a0(changement de phase liquide \u00e0 vapeur) et la\u00a0condensation<\/strong>\u00a0(\u00a0changement de phase\u00a0vapeur \u00e0 liquide).<\/p>\n

Dans ces cas,\u00a0les effets de chaleur latente<\/strong>\u00a0associ\u00e9s au changement de phase sont importants.\u00a0La chaleur latente<\/a>\u00a0,<\/strong>\u00a0\u00e9galement appel\u00e9e enthalpie de vaporisation, est la quantit\u00e9 de chaleur ajout\u00e9e \u00e0 une substance ou extraite de celle-ci pour produire un changement de phase.\u00a0Cette \u00e9nergie d\u00e9compose les forces d’attraction intermol\u00e9culaires et doit \u00e9galement fournir l’\u00e9nergie n\u00e9cessaire \u00e0 la\u00a0dilatation<\/strong>\u00a0du gaz (\u00a0travail p\u0394V<\/strong>\u00a0).\u00a0Lorsque de\u00a0la chaleur latente<\/strong>\u00a0est ajout\u00e9e, aucun changement de temp\u00e9rature ne se produit.<\/p>\n

\"Chaleur<\/a>
La chaleur de vaporisation diminue avec l’augmentation de la pression, tandis que le point d’\u00e9bullition augmente.\u00a0Il dispara\u00eet compl\u00e8tement \u00e0 un certain point appel\u00e9 le point critique.<\/figcaption><\/figure>\n
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L’\u00a0<\/span>enthalpie de vaporisation<\/span><\/strong>\u00a0est fonction de la pression \u00e0 laquelle cette transformation a lieu.<\/span><\/p>\n

Chaleur latente de vaporisation – eau \u00e0 0,1 MPa (pression atmosph\u00e9rique)<\/span><\/p>\n

h\u00a0<\/span><\/strong>lg<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0= 2257 kJ \/ kg<\/span><\/strong><\/p>\n

Chaleur latente de vaporisation – eau \u00e0 3 MPa (pression \u00e0 l’int\u00e9rieur d’un g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur)<\/span><\/p>\n

h\u00a0<\/span><\/strong>lg<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0= 1795 kJ \/ kg<\/span><\/strong><\/p>\n

Chaleur latente de vaporisation – eau \u00e0 16 MPa (pression \u00e0 l’int\u00e9rieur d’un\u00a0<\/span>pressuriseur<\/span><\/a>\u00a0)<\/span><\/p>\n

h\u00a0<\/span><\/strong>lg<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0= 931 kJ \/ kg<\/span><\/strong><\/p>\n

\"supercritique-phase-critique-point-min\"<\/a>La\u00a0<\/span>chaleur de vaporisation<\/span><\/strong>\u00a0diminue avec l’augmentation de la pression, tandis que le\u00a0<\/span>point d’\u00e9bullition<\/span><\/a>\u00a0augmente.\u00a0Elle dispara\u00eet compl\u00e8tement \u00e0 un certain point appel\u00e9 le\u00a0<\/span>point critique<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0Au-dessus du point critique, les phases liquide et vapeur sont indiscernables et la substance est appel\u00e9e\u00a0<\/span>fluide supercritique<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

Le passage du liquide \u00e0 l’\u00e9tat de vapeur d\u00fb \u00e0 l’\u00a0<\/span>\u00e9bullition<\/span><\/strong>\u00a0est soutenu par le transfert de chaleur de la surface solide;\u00a0\u00e0 l’inverse, la\u00a0<\/span>condensation<\/span><\/strong>\u00a0d’une vapeur \u00e0 l’\u00e9tat liquide entra\u00eene un transfert de chaleur vers la surface solide.\u00a0<\/span>L’\u00e9bullition et la condensation<\/span><\/strong>\u00a0diff\u00e8rent des autres formes de convection en ce qu’elles d\u00e9pendent de la\u00a0<\/span>chaleur latente de vaporisation<\/span><\/strong>\u00a0, qui est\u00a0<\/span>tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e<\/span><\/strong>\u00a0pour les\u00a0<\/span>pressions<\/span><\/a>\u00a0courantes\u00a0, donc de grandes quantit\u00e9s de chaleur peuvent \u00eatre transf\u00e9r\u00e9es pendant l’\u00e9bullition et la condensation essentiellement \u00e0 temp\u00e9rature constante.\u00a0<\/span>Les coefficients de transfert de chaleur<\/span><\/a>\u00a0, h, associ\u00e9s \u00e0 l’\u00a0<\/span>\u00e9bullition et \u00e0 la condensation<\/span><\/strong>\u00a0sont g\u00e9n\u00e9ralement\u00a0<\/span>beaucoup plus \u00e9lev\u00e9s<\/span><\/strong>que ceux rencontr\u00e9s dans d’autres formes de processus de convection qui impliquent une seule phase.<\/span><\/p>\n

Cela est d\u00fb au fait que, m\u00eame en\u00a0<\/span>\u00e9coulement turbulent<\/span><\/a>\u00a0, il existe une couche de film fluide stagnant (sous-couche laminaire), qui isole la surface de l’\u00e9changeur de chaleur.\u00a0Cette\u00a0<\/span>couche de film fluide stagnant<\/span><\/strong>\u00a0joue un r\u00f4le crucial pour le coefficient de transfert de chaleur convectif.\u00a0On observe que le fluide\u00a0<\/span>s’arr\u00eate compl\u00e8tement \u00e0 la surface<\/span><\/strong>\u00a0et prend une vitesse nulle par rapport \u00e0 la surface.\u00a0Ce ph\u00e9nom\u00e8ne est connu sous le nom de condition antid\u00e9rapante et donc,\u00a0<\/span>\u00e0 la surface,<\/span><\/strong>\u00a0le flux d’\u00e9nergie se produit\u00a0<\/span>uniquement par conduction.\u00a0<\/span><\/strong>Mais dans les couches suivantes, il se produit \u00e0 la fois un mouvement de conduction et de diffusion-masse au niveau mol\u00e9culaire ou au niveau macroscopique.\u00a0En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’\u00e9nergie est plus \u00e9lev\u00e9.\u00a0Comme il a \u00e9t\u00e9 \u00e9crit,<\/span>l’\u00e9bullition nucl\u00e9\u00e9e<\/span><\/strong>\u00a0\u00e0 la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et, par cons\u00e9quent, l’\u00e9bullition nucl\u00e9\u00e9e augmente consid\u00e9rablement la capacit\u00e9 d’une surface \u00e0 transf\u00e9rer\u00a0<\/span>de l’\u00e9nergie thermique<\/span><\/a> au fluide en vrac.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Point d’\u00e9bullition – Saturation<\/span><\/h2>\n

En thermodynamique, le terme\u00a0\u00a0<\/span>saturation<\/span><\/strong><\/a>\u00a0\u00a0d\u00e9finit une condition dans laquelle un m\u00e9lange de vapeur et de liquide peut exister ensemble \u00e0 une temp\u00e9rature et une pression donn\u00e9es.\u00a0La temp\u00e9rature \u00e0 laquelle la\u00a0\u00a0<\/span>vaporisation\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0(\u00e9bullition) commence \u00e0 se produire pour une pression donn\u00e9e est appel\u00e9e\u00a0<\/span>\u00a0temp\u00e9rature de saturation<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0ou\u00a0\u00a0<\/span>point d’\u00e9bullition<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La pression \u00e0 laquelle la vaporisation (\u00e9bullition) commence \u00e0 se produire pour une temp\u00e9rature donn\u00e9e est appel\u00e9e pression de saturation.<\/span><\/p>\n

Lorsque la qualit\u00e9 de la vapeur est \u00e9gale \u00e0 0, elle est appel\u00e9e\u00a0\u00a0<\/span>\u00e9tat liquide satur\u00e9<\/span><\/a>\u00a0<\/strong>\u00a0(monophas\u00e9).\u00a0En revanche, lorsque la qualit\u00e9 de la vapeur est \u00e9gale \u00e0 1, elle est appel\u00e9e\u00a0\u00e9tat de vapeur satur\u00e9e<\/strong><\/a>\u00a0\u00a0ou\u00a0\u00a0vapeur s\u00e8che<\/strong><\/a>\u00a0\u00a0(monophas\u00e9e).\u00a0Entre ces deux \u00e9tats, on parle de\u00a0\u00a0m\u00e9lange vapeur-liquide<\/strong>\u00a0\u00a0ou\u00a0\u00a0vapeur humide<\/strong><\/a>\u00a0\u00a0(m\u00e9lange diphasique).\u00a0\u00c0 pression constante, un apport d’\u00e9nergie ne modifie pas la temp\u00e9rature du m\u00e9lange, mais la\u00a0qualit\u00e9 de<\/strong><\/a>\u00a0la\u00a0\u00a0vapeur<\/strong><\/a>\u00a0\u00a0et le volume sp\u00e9cifique changent.<\/span>\u00a0<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Saturation dans le pressuriseur<\/span><\/h2>\n
\"Propri\u00e9t\u00e9s<\/a>
Propri\u00e9t\u00e9s extensives et intensives du milieu dans le pressuriseur.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Un\u00a0\u00a0<\/span>pressuriseur<\/span><\/strong><\/a>\u00a0\u00a0est un composant d’un\u00a0\u00a0<\/span>r\u00e9acteur \u00e0 eau sous pression<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0<\/span>La pression dans le circuit primaire\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0des REP est maintenue par un\u00a0\u00a0<\/span>pressuriseur<\/span><\/strong>\u00a0, un r\u00e9cipient s\u00e9par\u00e9 qui est connect\u00e9 au circuit primaire (jambe chaude) et partiellement rempli d’eau qui est chauff\u00e9e \u00e0 la\u00a0\u00a0<\/span>temp\u00e9rature de saturation<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0(point d’\u00e9bullition) pour la pression d\u00e9sir\u00e9e par une\u00a0alimentation \u00e9lectrique<\/strong>\u00a0immerg\u00e9e\u00a0\u00a0<\/span>radiateurs<\/span><\/strong>.\u00a0La temp\u00e9rature dans le pressuriseur peut \u00eatre maintenue \u00e0 350 \u00b0 C (662 \u00b0 F), ce qui donne une marge de sous-refroidissement (la diff\u00e9rence entre la temp\u00e9rature du pressuriseur et la temp\u00e9rature la plus \u00e9lev\u00e9e dans le c\u0153ur du r\u00e9acteur) de 30 \u00b0 C.\u00a0La marge de sous-refroidissement est un param\u00e8tre de s\u00e9curit\u00e9 tr\u00e8s important des REP, car l’\u00e9bullition dans le c\u0153ur du r\u00e9acteur doit \u00eatre exclue.\u00a0La conception de base du\u00a0\u00a0<\/span>r\u00e9acteur \u00e0 eau sous pression\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0comprend une telle exigence que le liquide de refroidissement (eau) dans le syst\u00e8me de refroidissement du r\u00e9acteur ne doit pas bouillir.\u00a0Pour ce faire, le liquide de refroidissement dans le syst\u00e8me de refroidissement du r\u00e9acteur est maintenu \u00e0 une pression suffisamment \u00e9lev\u00e9e pour que l’\u00e9bullition ne se produise pas aux temp\u00e9ratures de refroidissement rencontr\u00e9es pendant le fonctionnement de l’installation ou dans un transitoire analys\u00e9.<\/span><\/p>\n

Les fonctions<\/span><\/span><\/h2>\n

La pression<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0dans le pressuriseur est contr\u00f4l\u00e9e en faisant varier la temp\u00e9rature du liquide de refroidissement dans le pressuriseur.\u00a0\u00c0 ces fins, deux syst\u00e8mes sont install\u00e9s.\u00a0<\/span>Syst\u00e8me de pulv\u00e9risation d’eau<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0et\u00a0\u00a0<\/span>syst\u00e8me de radiateurs \u00e9lectriques<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Le volume du pressuriseur (dizaines de m\u00e8tres cubes) est rempli d’eau sur les param\u00e8tres de saturation et de vapeur.\u00a0Le syst\u00e8me de pulv\u00e9risation d’eau (eau relativement froide – provenant d’une jambe froide) peut r\u00e9duire la pression dans le r\u00e9cipient en\u00a0\u00a0<\/span>condensant la vapeur\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0sur les gouttelettes d’eau pulv\u00e9ris\u00e9es dans le r\u00e9cipient.\u00a0D’autre part, les radiateurs \u00e9lectriques immerg\u00e9s sont con\u00e7us pour augmenter la pression par\u00a0\u00a0<\/span>\u00e9vaporation de l’eau<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0dans le r\u00e9cipient.\u00a0La pression de l’eau dans un syst\u00e8me ferm\u00e9 suit directement la temp\u00e9rature de l’eau;\u00a0\u00e0 mesure que la temp\u00e9rature augmente, la pression augmente.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Faire bouillir dans le g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur<\/span><\/h2>\n
\"G\u00e9n\u00e9rateur<\/a>
G\u00e9n\u00e9rateur de vapeur – vertical<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Les g\u00e9n\u00e9rateurs de vapeur<\/span><\/strong><\/a>\u00a0sont\u00a0<\/span>\u00a0des \u00e9changeurs de chaleur<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0utilis\u00e9s pour convertir l’\u00a0<\/span>\u00a0eau d’alimentation en vapeur \u00e0<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0partir de la chaleur produite dans un\u00a0<\/span>\u00a0c\u0153ur de r\u00e9acteur nucl\u00e9aire<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0La vapeur produite entra\u00eene la turbine.\u00a0Ils sont utilis\u00e9s dans la plupart des centrales nucl\u00e9aires, mais il en existe de nombreux types selon le\u00a0<\/span>\u00a0type de r\u00e9acteur<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

Le liquide de refroidissement primaire chaud (\u00a0<\/span>eau 330 \u00b0 C; 626 \u00b0 F; 16 MPa<\/span><\/strong>\u00a0) est pomp\u00e9 dans\u00a0\u00a0<\/span>le g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0par l’entr\u00e9e primaire.\u00a0Une haute pression de liquide de refroidissement primaire est utilis\u00e9e pour maintenir l’eau \u00e0 l’\u00e9tat liquide.\u00a0<\/span>L’\u00e9bullition du liquide de refroidissement primaire ne doit pas se produire.\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0L’eau liquide s’\u00e9coule \u00e0 travers des centaines ou des milliers de tubes (g\u00e9n\u00e9ralement 1,9 cm de diam\u00e8tre) \u00e0 l’int\u00e9rieur du g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur.\u00a0L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauff\u00e9e de\u00a0\u00a0<\/span>~ 260 \u00b0 C 500 \u00b0 F<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0au point d’\u00e9bullition de ce fluide\u00a0\u00a0<\/span>(280 \u00b0 C; 536 \u00b0 F; 6,5 MPa)<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La chaleur est transf\u00e9r\u00e9e \u00e0 travers les parois de ces tubes vers le liquide de refroidissement secondaire \u00e0 basse pression situ\u00e9 sur le c\u00f4t\u00e9 secondaire de l’\u00e9changeur o\u00f9 le liquide de refroidissement s’\u00e9vapore en vapeur sous pression\u00a0<\/span>(vapeur satur\u00e9e 280 \u00b0 C; 536 \u00b0 F; 6,5 MPa)<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La vapeur sous pression quitte le g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur par une sortie de vapeur et continue vers la turbine \u00e0 vapeur.\u00a0Le transfert de chaleur se fait sans m\u00e9langer les deux fluides pour \u00e9viter que le fluide caloporteur secondaire ne devienne radioactif.\u00a0Le liquide de refroidissement primaire quitte\u00a0\u00a0<\/span>(eau 295 \u00b0 C; 563 \u00b0 F; 16 MPa)<\/span><\/strong>\u00a0\u00a0le g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur par la sortie primaire et continue \u00e0 travers une jambe froide jusqu’\u00e0\u00a0\u00a0<\/span>une pompe de refroidissement du r\u00e9acteur<\/span><\/a>\u00a0\u00a0, puis dans le r\u00e9acteur.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Condensation dans le condenseur principal<\/span><\/h2>\n

\"Condenseur<\/a>Le\u00a0<\/span>condenseur<\/span><\/strong><\/a>\u00a0doit maintenir un vide suffisamment bas pour augmenter l’efficacit\u00e9 de la centrale.\u00a0Les pompes \u00e0 vide maintiennent un vide suffisant dans le condenseur en extrayant l’air et les gaz non condens\u00e9s.\u00a0La pression de condensation la plus basse possible est la\u00a0\u00a0\u00a0pression de\u00a0<\/span>saturation<\/span><\/a>\u00a0correspondant \u00e0 la temp\u00e9rature ambiante (par exemple une pression absolue de\u00a0\u00a0<\/span>0,008 MPa,\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0ce qui correspond \u00e0\u00a0<\/span>\u00a041,5 \u00b0 C<\/span><\/strong>\u00a0).\u00a0Notez qu’il y a toujours une diff\u00e9rence de temp\u00e9rature entre (autour de\u00a0\u00a0<\/span>\u0394T = 14 \u00b0 C<\/span><\/strong>) la temp\u00e9rature du condenseur et la temp\u00e9rature ambiante, qui proviennent de la taille finie et de l’efficacit\u00e9 des condenseurs.\u00a0Comme le condenseur n’est pas un \u00e9changeur de chaleur efficace \u00e0 100%, il y a toujours une diff\u00e9rence de temp\u00e9rature entre la temp\u00e9rature de saturation (c\u00f4t\u00e9 secondaire) et la temp\u00e9rature du liquide de refroidissement dans le syst\u00e8me de refroidissement.\u00a0De plus, il y a une inefficacit\u00e9 de conception qui diminue l’efficacit\u00e9 globale de la turbine.\u00a0Id\u00e9alement, la vapeur \u00e9vacu\u00e9e dans le condenseur n’aurait\u00a0\u00a0<\/span>pas de sous-refroidissement<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Mais les vrais condenseurs sont con\u00e7us pour sous-refroidir le liquide de quelques degr\u00e9s Celsius afin d’\u00e9viter la\u00a0\u00a0<\/span>cavitation d’aspiration<\/span><\/strong><\/a>\u00a0\u00a0dans les pompes \u00e0 condensats.\u00a0Mais, ce sous-refroidissement augmente l’inefficacit\u00e9 du cycle, car plus d’\u00e9nergie est n\u00e9cessaire pour r\u00e9chauffer l’eau.<\/span><\/p>\n

\"Cycle<\/a>
La diminution de la pression d’\u00e9chappement de la turbine augmente le travail net par cycle mais diminue \u00e9galement la qualit\u00e9 de vapeur de la vapeur de sortie.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

L’objectif de maintenir la pression d’\u00e9chappement de turbine pratique la plus basse est une raison principale pour inclure le condenseur dans une centrale thermique.\u00a0Le condenseur fournit un vide qui maximise l’\u00e9nergie extraite de la vapeur, r\u00e9sultant en une augmentation significative du travail net et de l’efficacit\u00e9 thermique.\u00a0Mais aussi ce param\u00e8tre (pression du condenseur) a ses limites d’ing\u00e9nierie:<\/span><\/p>\n