Le laminage de la vapeur, du mythe à la réalité

Le laminage de la vapeur est un truc dont on entend souvent parler. Alors de quoi de s’agit-il et quels en sont les effets ? Ca marche vraiment sur nos petites machines ? Je vous propose de revoir tout ça et d’essayer d’en analyser et quantifier les effets. L’ occasion d’utiliser le « diagramme de Mollier » (Voir post sur « L’eau dans tous ses états ») et de manipuler enthalpies et autres facteurs.

• Le laminage consiste simplement à faire brutalement baisser la pression de la vapeur dans une tubulure en réduisant le passage utile du flot par une vanne ou un diaphragme et sans lui demander de produire du travail:



Ce phénomène n’existe bien sûr que si il y a débit. Le changement de diamètre provoque des turbulences qui engendrent la perte de pression. Plus le débit sera important et plus grande sera la chute de pression. La chute de pression est brutale et immédiate.

• Cas N°1 :
La chaudière est réglée pour produire de la vapeur saturée sèche à 4 bars de pression manomètre avec un titre de 100%  (cas d’une chaudière parfaite !). Avec une vanne de réglage nous établissons un régime de débit stable avec 2 bars de pression manomètre en aval de la vanne. Nous avons donc détendu (laminé) la vapeur de 4 à 2 bars manomètre.



Cette chute de pression est immédiate et la vapeur n’a pas le temps matériel d’échanger de la chaleur avec le milieu extérieur. La détente est donc adiabatique et puisqu’il n’y a pas eu non plus de production de travail (aucune force n’entre en jeu), on considère qu’elle s’est faite à enthalpie constante : L’énergie totale de la vapeur n’a pas variée.
A l’aide des tables de valeurs pour la vapeur, nous pouvons construire la partie du diagramme de Mollier qui décrit notre cas :



Au point « A » :
- Pression mano=4 bars → Pression absolue = 5bars
- La température de vaporisation = 151,84°C. C’est la température au point A (titre 100%), TA= 151,84°C.
- L’enthalpie massique totale de la vapeur  HA = 2747,5 kJ/kg. Energie que contient la vapeur au point « A ».

La détente se faisant à enthalpie constante, l’évolution se fait sur une verticale pour descendre au point « B », intersection avec la ligne des 3 bars :
- Pression mano = 2 bars → Pression absolue = 3 bars
- A cette pression absolue de 3bars, la température d’équilibre de vaporisation est de 133,54°C.
- A cette pression absolue de 3 bars, L’enthalpie massique totale de la vapeur saturée sèche serait H3bars= 2724.7kj/kg

Mais nous constatons sur le diagramme que le point « B » se trouve au dessus de l’isotherme « 133,54°C ». Le point « B » se trouve en fait dans la zone de « vapeur surchauffée », surchauffée pour une pression de 3 bars.

Et nous pouvons en calculer la température :
- L’enthalpie totale au point « B » est  égale à celle au Point « A » , soit HB = HA = 2747,5kj/kg. Hors, sous 3bars absolu, l’enthalpie totale de la vapeur saturée sèche devrait être de 2724,7kJ/kg. Nous avons donc un excédent d’enthalpie (d'énergie) par rapport à un état d’équilibre sous 3 bars de ΔH = 2747,5 - 2724,7 = 22,8kj/kg.
- Comme « Rien ne se perd, rien ne se crée », cette énergie excédentaire par rapport à l’équilibre, ΔH, a été utilisée pour élever la température au point « B ». Bien comprendre que cette élévation est par rapport à la température d’équilibre à 3bars et non par rapport à la température de départ du point «A».
- Le coefficient de chaleur massique (cp) de la vapeur  à 5 bars est de  2,3 kJ/kg/° et à 2 bars de 2,1. En première approximation prenons la moyenne, soit 2,2 (la variation avec la température de surchauffe sera minime dans la plage considérée et on l’ignore). Donc :  ΔT = ΔH/ cp = 22,8/2,2= 10,4°C
Et la température au point B, TB = 133,54 + 10,4 = 144°C

Par ce processus de laminage de la vapeur, nous avons donc transformé de la vapeur saturée sèche (4 bars mano, 151,84°C) en vapeur surchauffée (2 bars mano, 144°C). Quel est l’intérêt ?
1- Nous n’avons pas perdu d’ énergie, elle est simplement sous une autre forme.
2 – Nous avons une petite marge pour nous assurer que la vapeur arrivant aux cylindres sera toujours bien de la vapeur sèche. Nous resterons au dessus du point de condensation plus longtemps lorsque la vapeur commencera à travailler et à se détendre. Meilleur fonctionnement.
3 – A vitesse égale, la consommation d’eau devrait être légèrement réduite : Le poids de vapeur admis à chaque cycle dans le cylindre est réduit car la densité de la vapeur surchauffée est inférieure à la densité de la vapeur saturée. Si le poids de vapeur consommée est réduit, la consommation d’eau sera moindre.

Bien sur, pas aussi efficace qu’une véritable surchauffe au-delà de 151,84°C  mais un plus certain. En fait, sans ajouter quoique que ce soit à une installation standard, nous avons ce phénomène de « laminage » : Vanne de sortie de la chaudière, tuyaux de petits diamètres et coudes en général assez fermés, vanne de débit pour la vitesse, tiroirs d’entrée dans le moteur, autant de points "laminant la vapeur"… Ce qui explique probablement que nos installations sans surchauffeur mais avec une bonne grosse chaudière pas trop poussée et bien conçue pour éviter au maximum le primage fonctionnent plutôt bien.

• Cas N°2
Nous avons une chaudière « réelle » toujours réglée à 4 bars manomètre, mais cette fois elle produit de la vapeur saturée humide avec un titre de 95%.
Nous allons laminer « sévèrement » cette vapeur pour ramener la pression à  1 bar manomètre.
De nouveau nous établissons la partie du diagramme de Mollier décrivant ce cas :



- Point « A » : Pression absolue de 5 bars. Température de vaporisation 151,84°C. Titre de 95%.
Nous pouvons calculer l’enthalpie massique totale en ce point, HA :
HA = Enthalpie sensible + (0, 95 x Enthalpie de vaporisation) puisque seuls 95% de l’eau a été vaporisée. Ce qui en nous référant aux tables donne :
HA = 640,12 +  (0,95 x 2107,4) = 2642,15kj/kg

- De nouveau, la détente se fait à enthalpie (énergie) constante. Le point « B » après détente est donc à l’intersection de la verticale passant par « A » et de la ligne des 2 bars absolus.

- Constatation : Cette fois, le point « B » se trouve toujours dans la zone de vapeur saturée humide, mais son titre a augmenté.

Nous pouvons calculer le nouveau titre:
L’enthalpie totale au point « B » est la même qu’ au point « A ».
Sous 2 bars absolus, l’enthalpie massique totale pour une vapeur saturée avec un titre de 100% est de 2706,3kJ/kg (voir Tables) et se décompose en 504,7kJ/kg pour la chaleur sensible (chauffage de l’eau) et 2201,6kJ/kg pour la vaporisation de 100% de l’eau.
Nous avons en « B » de la vapeur contenant 2642,15kj/kg. Si nous avions produit cette vapeur sous 2bars absolus, nous aurions utilisé 504,7kJ/kg pour le chauffage de l’eau et nous aurions donc eu (2642,15 – 504,7) = 2137,45kj/kg disponibles pour la vaporisation. Et en comparant cette valeur à l’enthalpie nécessaire pour vaporiser l’eau à 100% nous obtenons le titre au point B :

TitreB= 2137,45/2201,6= 0,97   soit 97%.

Donc dans cet exemple, le laminage n’a pas été suffisant pour surchauffer la vapeur, mais il a permis d’en améliorer la qualité, le titre passant de 95% sous 4 bars mano à 97% sous 1 bar mano.

• Conclusion :
La surchauffe par laminage est un phénomène bien réel sur nos petites machines, mais dans les plages de pression que nous utilisons il ne faut pas en attendre de miracle : Même avec un laminage assez sévère de 4 bars mano à 1 bar mano nous n’obtenons pas de vapeur surchauffée si nous partons d’une vapeur avec un titre de 95%. D’ où l’importance d’une chaudière bien conçue avec un minimum de primage et le meilleur titre possible en sortie.

Voilà donc deux exemples de calculs utilisant le « diagramme de Mollier » et les « Tables de Vapeur ». Pas si compliqué, plus long à expliquer qu’à faire le calcul…..

   Marcel

 Salut!
On se demande toujours, à un moment ou l'autre, si ce qui est vrai, nécessaire, intelligent à l'échelle 1 doit s'appliquer à notre échelle.
Je suis convaincu que : OUI!
Pour plusieurs raisons dont la première est qu'elle nous permet de comprendre ce qu'on fait et qu'un principe étant un principe, le fait de 'appliquer ne peut nuire.
Dans le doute, j'applique ce principe et j'essaye de comprendre pourquoi on l'a mis en place.
Il y a 2 écoles dans notre discipline:
1- Ceux qui disent que l'on a toujours fait comme ça et que ça marche. Ou bien que Untel le tient d'un autre, qui lui même,..............L'histoire du mec qui a une ampoule à la main, et qui finit amputé dans d'atroces souffrances. Ça doit faire 30 ans qu'on répète la même erreur mais le panurgisme est un état!  
2- Et ceux qui se renseignent , pour pouvoir appliquer les principes de base en toute intelligence.
Alors , en accord, Trévithic, calorifugeons, mais tenons compte aussi du laminage, de la surchauffe et de bien d'autres facteurs pour comprendre en s'amusant.  

Je conclurais rapidement cette intervention en demandant à nos amis, s'il ne faut pas considérer que la surchauffe, c'est une vapeur qui est à la pression de la chaudière mais avec la température d'une pression plus élevée?
Le laminage étant une diminution de la pression en aval tout en conservant la température plus élevée de cette pression en amont.
Ce qui permet dans un cas comme dans l'autre de s'éloigner du point de "re-condensation" et maintient un bon titrage!
   C'est compliqué la vapeur! Mais si en plus , je m'explique mal, on n'est pas sorti de l'auberge.
Encore merci Rookie pour cet investissement personnel , qui nous aide à conserver notre patrimoine neuronal et nous rend moins (enfin un peu) bête, après t'avoir lu!  
Il fait beau! J'y va'!