Ejecteurs à vapeur
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Ejecteurs à vapeur

Principe des éjecteurs

Un éjecteur utilise un fluide moteur à haute pression pour entrainer 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:

Diamètre
de la buse 
Pression de la vapeur motrice (bars eff)
2 5 10 20 40
1,5 mm 2,5 5 9 15 30
3 mm 10 20 35 60 120
5 mm 28 55 100 165 335
10 mm 110 220 400 750 1450
20 mm 440 880 1600 3000 5800

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.
Représentation graphique du nombre d'éjecteurs vapeur en série et leur domaine de pression d'aspirationAvec 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.
Schéma d'un condenseur à mélange en sortie d'un éjecteur vapeurL'échange thermique provoque la condensation de la vapeur.
Ce type de condenseur est est particulièrement adapté lorsque le gaz aspiré est poussièreux 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.
Schéma d'un condenseur à surface en sortie d'un éjecteur vapeur 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 ptêt à sortir de l'échangeur.

Evacuation des condensats

Les condensats liquides qui peuvent être pollués par les composés aspirés, doivent subir un traitement approprié.
Schéma de montage de condenseurs après éjecteurs vapeur avec jambe barométrique 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:
- grace 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 condenstation 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

Press
absolue
(bar)
Temp
à
saturat
(°C)
Enthalpie (kJ/kg) Volume
spécif
vapeur
(m3/kg)
Liquide Vaporis Vapeur
0,01 6,97 29,30 2484,37 2513,67 129,178
0,012 9,65 40,57 2478,01 2518,58 108,670
0,015 13,02 54,68 2470,04 2524,72 87,959
0,02 17,49 73,43 2459,45 2532,88 66,987
0,025 21,08 88,42 2450,97 2539,39 54,240
0,03 24,08 100,98 2443,86 2544,84 45,653
0,035 26,67 111,82 2437,71 2549,53 39,466
0,04 28,96 121,39 2432,28 2553,67 34,791
0,045 31,01 129,96 2427,41 2557,37 31,131
0,05 32,87 137,75 2422,98 2560,73 28,185
0,06 36,16 151,48 2415,15 2566,63 23,733
0,07 39,00 163,35 2408,37 2571,72 20,524
0,08 41,51 173,84 2402,37 2576,21 18,099
0,09 43,76 183,25 2396,97 2580,22 16,199
0,1 45,81 191,81 2392,05 2583,86 14,670
0,2 60,06 251,42 2357,51 2608,94 7,648
0,3 69,10 289,27 2335,27 2624,55 5,228
0,4 75,86 317,62 2318,43 2636,05 3,993
0,5 81,32 340,54 2304,67 2645,22 3,240
0,6 85,93 359,91 2292,95 2652,86 2,732
0,7 89,93 376,75 2282,67 2659,42 2,365
0,8 93,49 391,71 2273,47 2665,18 2,087
0,9 96,69 405,20 2265,12 2670,31 1,869
1 99,61 417,50 2257,44 2674,95 1,694
1,1 102,29 428,84 2250,33 2679,17 1,549
1,2 104,78 439,36 2243,69 2683,05 1,428
1,3 107,11 449,19 2237,46 2686,64 1,325
1,4 109,29 458,42 2231,57 2689,98 1,237
1,5 111,35 467,13 2225,98 2693,11 1,159
1,6 113,30 475,38 2220,66 2696,04 1,091
1,7 115,15 483,22 2215,58 2698,80 1,031
1,8 116,91 490,70 2210,71 2701,41 0,977
1,9 118,60 497,85 2206,03 2703,88 0,929
2 120,21 504,70 2201,53 2706,23 0,886
2,1 121,76 511,29 2197,18 2708,47 0,846
2,2 123,25 517,63 2192,98 2710,61 0,810
2,3 124,69 523,74 2188,92 2712,65 0,777
2,4 126,07 529,64 2184,97 2714,61 0,747
2,5 127,41 535,34 2181,14 2716,49 0,719
2,6 128,71 540,87 2177,42 2718,30 0,693
2,7 129,97 546,24 2173,80 2720,03 0,669
2,8 131,19 551,44 2170,27 2721,71 0,646
2,9 132,37 556,50 2166,82 2723,32 0,625
3 133,52 561,43 2163,46 2724,88 0,606
3,2 135,74 570,90 2156,95 2727,85 0,570
3,4 137,84 579,91 2150,72 2730,63 0,539
3,6 139,85 588,52 2144,73 2733,25 0,510
3,8 141,77 596,75 2138,97 2735,72 0,485
4 143,61 604,65 2133,40 2738,05 0,462
4,2 145,38 612,25 2128,01 2740,27 0,442
4,4 147,08 619,58 2122,80 2742,37 0,423
4,6 148,72 626,64 2117,73 2744,37 0,405
4,8 150,30 633,47 2112,81 2746,28 0,389
5 151,83 640,09 2108,02 2748,11 0,375
5,2 153,31 646,50 2103,36 2749,85 0,361
5,4 154,75 652,72 2098,81 2751,52 0,349
5,6 156,15 658,77 2094,36 2753,13 0,337
5,8 157,51 664,65 2090,02 2754,66 0,326
6 158,83 670,38 2085,77 2756,14 0,316
6,5 161,98 684,08 2075,52 2759,60 0,293
7 164,95 697,00 2065,75 2762,75 0,273
7,5 167,75 709,24 2056,41 2765,64 0,256
8 170,41 720,86 2047,44 2768,30 0,240
8,5 172,94 731,95 2038,81 2770,76 0,227
9 175,35 742,56 2030,47 2773,03 0,215
9,5 177,66 752,74 2022,41 2775,14 0,204
10 179,88 762,52 2014,59 2777,11 0,194
10,5 182,01 771,94 2007,00 2778,94 0,186
11 184,06 781,03 1999,62 2780,65 0,177
11,5 186,04 789,82 1992,43 2782,25 0,170
12 187,96 798,33 1985,41 2783,74 0,163
12,5 189,81 806,58 1978,56 2785,14 0,157
13 191,60 814,60 1971,86 2786,46 0,151
13,5 193,35 822,39 1965,30 2787,69 0,146
14 195,04 829,97 1958,88 2788,85 0,141
14,5 196,69 837,35 1952,58 2789,93 0,136
15 198,29 844,56 1946,40 2790,96 0,132
16 201,37 858,46 1934,36 2792,82 0,124
17 204,31 871,74 1922,72 2794,46 0,117
18 207,11 884,47 1911,43 2795,91 0,110
19 209,80 896,71 1900,47 2797,18 0,105
20 212,38 908,50 1889,79 2798,29 0,100
21 214,86 919,87 1879,39 2799,26 0,095
22 217,25 930,87 1869,23 2800,10 0,091
23 219,56 941,53 1859,29 2800,82 0,087
24 221,79 951,87 1849,56 2801,43 0,083
25 223,95 961,91 1840,03 2801,93 0,080
26 226,05 971,67 1830,67 2802,34 0,077
27 228,08 981,18 1821,48 2802,66 0,074
28 230,06 990,46 1812,45 2802,90 0,071
29 231,98 999,51 1803,56 2803,06 0,069
30 233,85 1008,34 1794,81 2803,15 0,067
31 235,68 1016,99 1786,19 2803,17 0,065
32 237,46 1025,44 1777,69 2803,13 0,062
33 239,20 1033,72 1769,30 2803,02 0,061
34 240,90 1041,84 1761,02 2802,86 0,059
35 242,56 1049,80 1752,85 2802,64 0,057
36 244,18 1057,61 1744,77 2802,38 0,055
37 245,77 1065,27 1736,78 2802,06 0,054
38 247,33 1072,81 1728,88 2801,69 0,052
39 248,86 1080,21 1721,07 2801,28 0,051
40 250,35 1087,49 1713,33 2800,82 0,050
42 253,26 1101,71 1698,08 2799,79 0,047
44 256,07 1115,50 1683,09 2798,60 0,045
46 258,78 1128,90 1668,36 2797,26 0,043
48 261,40 1141,94 1653,86 2795,80 0,041
50 263,94 1154,64 1639,56 2794,21 0,039
52 266,40 1167,04 1625,46 2792,50 0,038
54 268,79 1179,14 1611,53 2790,67 0,036
56 271,12 1190,98 1597,76 2788,75 0,035
58 273,38 1202,57 1584,15 2786,72 0,034
60 275,58 1213,92 1570,67 2784,59 0,032
62 277,73 1225,06 1557,31 2782,37 0,031
64 279,83 1235,99 1544,07 2780,06 0,030
66 281,87 1246,72 1530,94 2777,67 0,029
68 283,87 1257,28 1517,91 2775,19 0,028
70 285,83 1267,66 1504,97 2772,63 0,027
72 287,74 1277,88 1492,11 2769,99 0,027
74 289,61 1287,95 1479,33 2767,28 0,026
76 291,45 1297,87 1466,62 2764,49 0,025
78 293,25 1307,65 1453,97 2761,62 0,024
80 295,01 1317,31 1441,37 2758,68 0,024
82 296,74 1326,84 1428,83 2755,67 0,023
84 298,43 1336,26 1416,33 2752,60 0,022
86 300,10 1345,57 1403,88 2749,45 0,022
88 301,74 1354,77 1391,46 2746,23 0,021
90 303,34 1363,87 1379,07 2742,94 0,020
95 307,25 1386,23 1348,20 2734,43 0,019
100 311,00 1408,06 1317,43 2725,49 0,018
105 314,60 1429,45 1286,68 2716,13 0,017
110 318,08 1450,44 1255,90 2706,35 0,016
115 321,43 1471,10 1225,03 2696,12 0,015
120 324,68 1491,46 1193,99 2685,45 0,014
125 327,81 1511,58 1162,72 2674,31 0,013
130 330,85 1531,51 1131,17 2662,68 0,013
135 333,80 1551,29 1099,25 2650,54 0,012
140 336,67 1570,96 1066,90 2637,86 0,011
145 339,45 1590,58 1034,01 2624,59 0,011
150 342,16 1610,20 1000,50 2610,70 0,010
155 344,79 1629,88 966,24 2596,12 0,010
160 347,35 1649,69 931,10 2580,79 0,009
170 352,29 1690,03 857,47 2547,50 0,008
180 356,99 1732,09 777,74 2509,83 0,008
190 361,47 1777,15 688,85 2466,01 0,007
200 365,75 1827,21 585,13 2412,35 0,006
210 369,83 1887,56 451,04 2338,59 0,005
220 373,71 2011,34 161,75 2173,09 0,004
220,64 373,95 2084,26 0,00 2084,26 0,003


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