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Désurchauffe de la vapeur


La vapeur provient de l'ébullition de l'eau. L'eau boue à une température qui dépend de la pression; 100°C à pression atmosphérique, 185°C à 10 bars, 215°C à 20 bars, .... La vapeur générée est à la même température que l'eau en ébullition, et se condense à cette même température si elle est refroidie; c'est la température à saturation.

Après vaporisation de l'eau, la vapeur peut être chauffée au delà de la température de saturation; elle est alors qualifiée de surchauffée.

La vapeur produite par les générateurs est souvent surchauffée pour:
- limiter les condensations dans les tuyauteries de transport,
- alimenter des turbines d'entraînement d'alternateurs, de compresseurs ou de pompes.

Avantage et  inconvénient de la surchauffe

La vapeur est un fluide pouvant être transporté sur de longues distances entre l'unité centrale de production et les unités utilisatrices. Des pertes thermiques se produisent inévitablement le long de ce cheminement. Une vapeur proche de sa température de saturation génèrerait des condensats pouvant provoquer des érosions et des coups de bêlier. Transporter une vapeur surchauffée permet des vitesses de circulation supérieures et des diamètres de tuyauterie plus réduits.

Lors de la détente dans une turbine, la vapeur subit une importante baisse de sa température proportionnelle au travail produit. La température de la vapeur dans la turbine, si elle est trop basse, peut conduire à une condensation partielle, avec la formation de gouttelettes d'eau qui diminue l'efficacité de la turbine et érode ses ailettes. Ce phénomène indésirable sera évité en surchauffant suffisamment la vapeur alimentant la turbine.

Par contre la vapeur utilisée en condensation dans des échangeurs de chauffage doit être amenée à une température aussi proche que possible de la saturation (désurchauffe) pour optimiser l'efficacité des échangeurs. Si la vapeur alimentant un échangeur est surchauffée, la vapeur cédera d'abord sa chaleur pour refroidir le gaz, puis après avoir atteint sa température de saturation, cédera sa chaleur par condensation. La condensation demande environ 10 fois moins de surface que le refroidissement du gaz. Une vapeur surchauffée utilisera inutilement une partie de la surface de l'échangeur, réduisant d'autant sa capacité thermique globale.

Mise en oeuvre de la désurchauffe

La désurchauffe est généralement faite par injection d'eau qui en se vaporisant abaissera la température de la vapeur.

Désurchauffeur

Il est important de n'injecter dans le flux de vapeur que la quantité juste nécessaire et suffisante d'eau. Tout excès conduirait à un flux de liquide en aval du désurchauffeur qu'il faudrait éliminer pour éviter coups de bélier ou érosion dans les tuyauteries ou les vannes. Pour cela l'eau doit être finement pulvérisée et intimement mélangée à la vapeur pour assurer l'échange thermique entre les deux phases. Il est recommandé d'adopter pour la tuyauterie de vapeur, sur quelques mètres en aval de l'injection d'eau, un diamètre réduit, pour générer une vitesse élevée (60m/sec environ)  et ainsi entretenir une turbulence élevée aux sein du mélange.
Si une mesure de la température de la vapeur en aval est utilisée pour ajuster le débit d'eau, le mélange doit être suffisamment homogène pour que la mesure soit significative.
Un équipement spécifiquement conçu pour cette tâche est nécessaire. De nombreux fournisseurs peuvent en proposer.

Mode de régulation

 La mesure de la température de la vapeur désurchauffée est utilisée pour réguler le débit d'eau à injecter.
 Exemple de régulation de désurchauffe de vapeur:
Relation de Poiseuille

Le débit de vapeur alimentant le désurchauffeur est mesuré. Le débit d'eau de désurchauffe est régulé en débit à une valeur donnée par un régulateur agissant comme proportionneur (FF). Ainsi toute variation du débit de vapeur provoquera un ajustement immédiat du débit d'eau.
La température en sortie de désurchauffeur est régulée en agissant sur le proportioneur (FF) Ainsi tout écart
au point de consigne de la température mesurée, provoquera un ajustement de la proportion entre débit d'eau et débit de vapeur.
Dans le domaine des températures supérieures à la température de saturation, la température de la vapeur en aval de l'injection est fonction du ratio des débits d'eau et de vapeur. A la température de saturation, la température de la vapeur devient constante quel que soit le débit d'eau injecté. Aussi pour être utilisé dans la boucle de régulation, le point de consigne doit être obligatoirement un peu au dessus de la température de saturation.
L'échange thermique entre vapeur et eau de désurchauffe n'est pas immédiat. Aussi la température d'équilibre de la vapeur n'est atteinte qu'après un certain temps de séjour. La mesure de la température utilisée pour la régulation du débit d'eau injecté doit être disposée suffisamment loin en aval du point d'injection pour être sûr que l'équilibre est atteint. Le fournisseur du désurchauffeur peut aider à déterminer cette position.

Qualité de l'eau

L'eau injecté sera totalement vaporisée. Les sels dissous, s'il y en a, se déposeront dans les tuyauteries et les équipements en aval. L'eau utilisée devra donc avoir la teneur la plus faible en sels dissous pour limiter les dépots.
L'eau qui convient le mieux à cet usage est assurément celle qui provient des condensats de vapeur. Ils peuvent être prélevés en aval des échangeurs par exemple. Le niveau de pression sera probablement insuffisant. Leur collecte dans une capacité et un relevage par pompe sera sans doute nécessaire.
A défaut, l'eau d'alimentation du générateur de vapeur peut être utilisée; cependant les sels présents qui sont normalement purgés de la chaudière seront ici injectés dans la vapeur.

Température de l'eau

La vaporisation de l'eau sera d'autant plus rapide que la différence de température entre la vapeur et l'eau injectée sera faible.

Débit d'eau de désurchauffe

Le tableau suivant donne le débit d'eau à 100°C qu'il faut injecter pour amener la vapeur à sa température de saturation: (kg d'eau/tonne de vapeur)

Pression de la vapeur (bars eff)
100 50 20 10 5 3
Température
surchauffée
(°C)
Température de vapeur saturée (°C)
311 265 215 185 160 145
kg eau / tonne de vapeur surchauffée
550 262 265 290 311 332 345
500 212 220 246 267 287 301
450 161 174 202 224 243 256
400 108 129 159 181 200 213
350 51 82 116 138 158 170
300 ..... 35 73 96 116 128
250 ...... ...... 30 54 74 86
200 ...... ...... ..... 13 33 45

Le tableau suivant donne la quantité d'eau (à la température de saturation de la vapeur) nécessaire pour amener la vapeur à sa température de saturation (kg d'eau / tonne de vapeur):

Pression de la vapeur (bars eff)
100 50 20 10 5 3
Temp
surchauffée
°C
Température de vapeur saturée (°C)
311 265 215 185 160 145
kg eau / tonne de vapeur surchauffée
550 483 396 372 371 374 377
500 391 328 315 318 324 328
450 297 260 259 266 274 280
400 199 192 204 215 226 232
350 94 123 149 165 178 186
300 ...... 52 94 114 130 140
250 ...... ..... 39 65 84 94
200 ...... ...... .... 15 37 49

Exemple:
Une tonne de vapeur à 20bars de pression et 450°C de température, sera amenée à sa température de saturation (215°C) par injection de:
- 202 kg d'eau à 100°C
- ou 259 kg d'eau à 215°C

Table de propriétés de la vapeur



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