Ejecteurs à vapeur

Principe des éjecteurs

Un éjecteur utilise un fluide moteur à haute pression pour entraîner un fluide aspiré à basse pression. Les deux fluides mélangés sont déchargés à une pression intermédiaire.
Les fluides employés peuvent être:
- des liquides (trompe à eau, monte jus, ...)
- des gaz (éjecteurs à vapeur pour le vide)

Consommation de vapeur

Le débit de vapeur nécessaire dépend des conditions opératoires:
- il augmente avec le taux de compression (pression de refoulement / pression d'aspiration)
- il diminue lorsque le taux de détente augmente (pression motrice / pression d'aspiration)
- il diminue lorsque la masse molaire du gaz augmente
Le tableau ci-dessous donne le débit de vapeur (en kg) nécessaire pour aspirer 1kg d'air à 20°C:

Taux de détente	Taux de compression
	2	4	8
5	2,2	3,5
10	1,1	8
20	0,8	4
50	0,7	2	6
100	0,6	1,5	4,5
1000	0,6	1.0	2
10000	0,7	0,9	1,7

Pour d'autres gaz que l'air ou des températures différentes de 20°C, la correction suivante doit être appliquée:

Masse molaire du gaz	Température (°C)
	20	200	400
2	5	5,3	5,8
8	2	2,2	2,4
16	1,3	1,5	1,6
44	0,85	0,95	1,05
80	0,7	0,8	0,9
160	0,63	0,67	0,77

Si en exploitation, le débit à aspirer s'avère inférieur aux estimations, il n'y a aucun moyen de diminuer la consommation de vapeur sans affecter le taux de compression. Pour anticiper cette situation et afin de réduire la consommation de vapeur en cas de débit à aspirer réduit, il est conseillé de multiplier les appareils en parallèle. Ils seront mis en service en fonction du besoin.

Dimension de la buse

La buse qui assure l'accélération de la vapeur au cours de la détente limitera le débit. De son diamètre dépendra la capacité de l'éjecteur.
L'écoulement de la vapeur au travers de la buse répond aux mêmes lois que tous les gaz.
Pour des pressions absolues amont et aval telles que leur rapport est inférieur à une valeur dite rapport critique (1,83 pour la vapeur), le débit dépend de ces pressions.
Si ce rapport des pressions est supérieur au rapport critique, la vitesse dans la buse est maximum, elle est égale à la vitesse du son dans le gaz, et ne dépend plus que la pression amont. Les éjecteurs à vapeur sont généralement utilisés dans ces conditions.
Le tableau ci-dessous donne le débit maximum (en kg/h) dans des buses de différents diamètres:

Ejecteurs multi-étagés

Le taux de compression d'un éjecteur étant en pratique limité, il est nécessaire pour obtenir des pressions très basses, d'associer plusieurs éjecteurs monté en série.
La sortie de vapeur motrice de l'un des éjecteurs est reliée à l'aspiration du suivant. Si cela est possible, afin de minimiser le débit à aspirer, on intercale en les deux un condenseur qui éliminera la majeur partie de la vapeur. La température de la source de refroidissement (eau ou air) devra être inférieure à la température de condensation de la vapeur à la pression inter-étage.
Avec une combinaison de 5 éjecteurs ayant chacun un taux de compression de 10, il est possible d'atteindre une pression de 0,01mbars.
Les pressions <6mbars correspondent à des températures <0°C, et le risque existe donc dans ces conditions de former de la glace dans la chambre de l'éjecteur. Pour éviter cela, une enveloppe de réchauffage doit être prévue.

Condensation de la vapeur

La vapeur en sortie des éjecteurs est souvent condensée pour:

• limiter les émissions à l'atmosphère des composés aspirés
• récupérer l'eau condensée pour la recycler vers un générateur de vapeur
• entre deux éjecteurs montés en série, pour réduire le débit aspiré par l'étage suivant

Deux principales technologies sont employées:

• condenseur barométrique ou à mélange
• condenseur indirecte ou à surface

Condenseur barométrique

Le mélange de vapeur motrice et de gaz incondensable aspiré par l'éjecteur sont mélangés à un liquide froid en recirculation.
L'échange thermique provoque la condensation de la vapeur.
Ce type de condenseur est est particulièrement adapté lorsque le gaz aspiré est poussiéreux et qu'un encrassement est redouté.

Condenseur à surface

La condensation se produit sur la surface refroidie d'un échangeur de chaleur à tubes ou autre technologie.
La présence de gaz incondensable fait que la condensation se produit avec un important gradient de température. La quantité de vapeur condensable récupérée dépend de la température de sortie du gaz refroidi. Plus elle sera basse, meilleure sera la récupération. Un cheminement particulier des vapeurs dans l'échangeur sera recherché pour réserver les surfaces les plus froides au gaz prêt à sortir de l'échangeur.

Evacuation des condensats

Les condensats liquides qui peuvent être pollués par les composés aspirés, doivent subir un traitement approprié.
En cas de condensation de la vapeur entre deux étages d'éjecteur, les condensats sont obtenus sous vide.
L'évacuation des condensats peut être réalisée de deux manière:
- grâce à un montage barométrique
- par une pompe d'extraction

Montage barométrique

Le condenseur est placé en hauteur, et la ligne d'évacuation des condensats plonge dans le liquide contenu dans une capacité reliée à la pression atmosphérique, et placée quelques mètre en dessous. L'ensemble constitue une garde hydraulique.
Le liquide extrait du condenseur remplit la ligne d'évacuation des condensats jusqu'à une hauteur au dessus du niveau liquide de la capacité, équivalente à la dépression dans le condenseur (par exemple environ 5 m pour une dépression de 0,5 bar). Cette hauteur ne peut être supérieure à 10m correspondant au vide absolu dans le condenseur.
Le condenseur doit donc être placé au dessus de ce niveau, et les condensats sont évacués par gravité vers la capacité de la garde hydraulique d'où ils sont extrait à pression atmosphérique.

Table de propriétés de la vapeur

Ci-dessous les propriétés principales de l'eau et la vapeur à saturation:
 - Température d'ébullition de l'eau et de condensation de la vapeur à la pression
 - Enthalpies de l'eau liquide à son point d'ébullition
 - Enthalpie de vaporisation et de condensation de la vapeur
 - Enthalpie de la vapeur à son point de condensation
 - Volume spécifique de la vapeur saturée