Surchauffe ... & Dé-surchauffe!

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Surchauffe ... & Dé-surchauffe!

Message par KBIO le Mer 13 Déc - 14:46

J’aime bien le papier à suivre de Bobino qui rappelle ce qu’est la VAPEUR et ses applications.
Suite à mes nombreuses questions aux personnes compétentes, j’avais commencé à écrire un papier et ne voulant pas qu’il ne serve à rien, je vous soumet malgré tout la synthèse de ce que j’avais préparé. :fi1:

Si on regarde de près ce qui se passe dans une chaudière en ébullition, le moins que l’on puisse dire, c’est que ce n’est pas un lac tranquille. Les turbulences sont terribles .
Les remous générés par la chauffe sont pires que ceux du grand Canyon après l'orage, et si la chaudière produit malgré tout ça ,de la vapeur, il va de soi qu’à la moindre ouverture, elle entraine de l’eau en s’échappant.

Plus la chaudière est performante et plus les remous sont forts. La chauffe de l’eau et la production de vapeur entrainent une folle farandole de bulles et splashs qui s’affrontent  et se mélangent.
Le cas est typique sur une Scott dont les boucles de chauffe remontent jusqu’au plafond de la chaudière.
Mais ça danse dur aussi bien sur une chaudière classique à tubes bouilleurs comme celles que nous utilisons. (voir la vidéo référencée plus loin)

Il faut aussi prendre en compte, comme nous l’a si bien expliqué Bobino, que si la vapeur peut être assimilée à un gaz, elle a ceci de différent , c’est qu’un gaz qui se refroidit reste un gaz (tout au moins à nos conditions standards), alors que la vapeur , elle, devient de l’eau et ça change tout!

On continue!
Lorsqu’on ouvre sur le dessus de la chaudière afin d’alimenter une machine quelconque, la vapeur s’échappe tout naturellement , mais elle entraine de l’eau tout naturellement aussi.
On  retrouve donc dans la ligne:
- De la vapeur saturée = 100% de gaz mais à la limite de la condensation, qui à la moindre contrariété va commencer à se condenser.
- Et de l’eau entrainée par primage. Regardez cette vidéo à 1m35 et vous aurez un exemple de ce qu’est le primage : https://youtu.be/_NOftnDDOyE . Je vous invite à regarder les autres qui sont aussi très instructives = https://youtu.be/p8-0tmLnm7c
Il faut aussi se rappeler comme expliqué dans l’article de Rookie que lorsqu'on regarde le diagramme de Mollier , l’énergie nécessaire à vaporiser  1 l d’eau est 5/7 fois supérieure à celle qu’il faut pour amener de l’eau de 20°C à la température d’ébullition = 100°C Atm.
(c’est la raison pour laquelle (à mon avis) , ça n’apporte rien de réchauffer de l’eau avant introduction dans la chaudière) (ou si peu!).

Pour palier cette arrivée d’eau chaude dans la conduite vapeur, nous avons deux solutions:
Je ne parle pas de l’usage du dôme sur chaudière  , du devesiculateur  (demister en anglais) qu’on y insèrent et dont l’efficacité est douteuse à notre échelle, ni des trous de 1 mm que l’on perce sous le dôme. Artifices intéressants et que j’utilise aussi , mais dont j’avoue humblement ne pas être certain de leur grande utilité.
Partant du principe que : “Qui peut le plus , peut le moins,...!” J’applique!
C’est un peu comme ceux qui croient Dieu, au cas où.....!
Malgré tout, je suis plus persuadé que la performance de la chaudière est dans son concept.

- Installer un petit serpentin dans le conduit de la cheminée qui récupèrera l’énergie en bout de bruleur et qui permettra une surchauffe de la vapeur en sortie de chaudière.
   La chaleur récupérée autorisera une température supérieure à la celle de la vapeur saturée, sans pour autant que l’on soit sur qu’il n’y a pas d’eau qui sorte avec.
- Installer une conduite en sortie de chaudière, qui passe dans le foyer et qui vaporisera à coup sûr, les gouttelettes d’eau qui ont été entrainées. L’inconvénient de cette méthode, c’est que la vapeur est pour le coup, vraiment surchauffée (= proche de la température de la flamme) et
   qu’elle peut entrainer des dégâts dans la machine: joints ou autres, sans compter que la lubrification par condenseur à déplacement est une aimable plaisanterie dans ce cas.
   Alors, comme nos ingénieurs sont des gens qui n’ont pas bu “toute” l’eau des pâtes, et qui raisonnent comme les fameux Shadocks : –“Pourquoi ne pas refroidir ce qui est trop chaud et réchauffer ce qui est trop froid?”
Bon! Dit comme ça c’est  pas facile à comprendre.
Que je vous explique ce qu’ils m’ont expliqué!
Surchauffer, c’est très bien, ça élimine les gouttelettes d’eau entrainées par le primage , et inéluctable quand on ouvre la vapeur.
Alors ,  pourquoi ne pas faire retourner cette ligne dans le fond de la chaudière elle-même?
Ca permet de conserver une bonne vapeur SECHE ramenée à une température plus raisonnable et surtout utilisable.
Le bénéfice supplémentaire et non des moindres, c’est que cette conduite surchauffée va laisser de l’énergie dans la chaudière et augmentera encore la température de celle-ci!
J’ai lu quelque part que le coefficient d’échange entre la vapeur saturée et la vapeur surchauffée va de 100 à 1000. On dé-surchauffe pour améliorer l'échange dans un échangeur, car le coefficient d'échange est très différent entre de la vapeur surchauffée et saturée . Alors autant en profiter.
La vapeur sèche ne transmettant pas bien la chaleur, il est nécessaire d’abaisser sa température à celle de saturation afin de permettre cet échange.¨
L’enthalpie restant pratiquement la même avec une pression moindre.
L’échange se fait mieux et permet la récuparation de la condensation vers une bâche.
La vapeur surchauffée est idéal pour alimenter des turbines. Pas de graissage , et si de l’eau crache dans les aubes, ça ne bloquera pas la machine.
Elle est pas belle la vie?

Oui! Mais non!
Si le principe est excellent, il faut tout de même savoir ce qu’on fait et connaitre la qualité de la vapeur en sortie de ligne avant entrée dans la machine.
Et c’est là que le fameux bulbe de Bobino rentre en scène!
En effet quel est le meilleur moyen de connaitre la température de la vapeur si on n’a pas de thermomètre??
Et bien en connaissant sa pression, évidemment , mon cher Watson!
Relis ça : http://modelismenavalradioc.nouvellestar6.com/t11519-mesure-de-la-surchauffe#160032
Schéma du bulbe de Bobino:


Mais ce n’est pas fini, Fifi!
Le meilleur moyen de savoir si ta vapeur est de qualité, c’est encore d’ouvrir la ligne avant d’entrer dans la machine et de faire débiter .

Si tu as un beau panache blanc qui sort: tu as tout faux! Ta vapeur est sortie en limite de saturation et au moindre refroidissement , ça devient de l’eau.
Si tu ne vois rien avant 5/6 cm , alors tu as bien fait de consulter ce Forum , génial et non des moindres! Tu as tout compris. Tu es un génie sans bouillir.
Au bout du compte, je me dis qu’une bonne installation classique avec une bonne isolation permet aussi de bien limiter la condensation.
Mâtin! Quel Forum!king
Si vous avez des questions, n’hésitez pas! Les membres sont de bonne humeur , il faut en profiter!
Bobino nous a préparé un article plus "technique" qui va tout vous expliquer comme il sait  si bien le faire:
LA  VAPEUR   SURCHAUFFEE  


Tout d'abord VAPEUR  ce mot désigne la forme gazeuse d'un corps dont on connait les autres états (solide , liquide ). GAZ était utilisé pour ceux  qui restaient dans cet état quelle que soit la pression à laquelle on les soumettait .On les nomma "gaz permanents ".
Vers la fin du  19 éme  siècle  , un savant français CAILLETET  à montré que  , à condition de refroidir suffisamment et d'appliquer une pression  convenable  on pouvait liquéfier ces gaz et qu'il existe  une température , appelée température critique  Tc au dessus de laquelle tous les corps n'existent qu'à l'état gazeux . Pour liquéfier un gaz  ,(en dessous de Tc bien entendu ) il faut aussi appliquer une pression suffisante selon la température . A Tc  cette pression atteint une grandeur dite pression critique Pc .
Voici quelques couples  de conditions critiques :
eau  374 °C   /  226 bar abs  , butane  153 ° /  39 b , co2  31°  /  75 b  , air  - 141 ° / 38 b   e t c
On a constaté que pour une masse donnée d'un  gaz permanents  une relation simple existe  entre son volume sa pression et sa température  P. V / T   est invariable pour autant que l'on mesure P en pression absolue et T en ° Kelvin ( T °C + 273 ) .
Bien que les mots :Vapeur et Gaz  semblent  désigner la même chose  , on a conservé "Vapeur" lorsqu'il s'agit de l'eau et on raison .
En effet la formule  P.V /T  = cste n'est vraie que lorsque l'on s'éloigne  du point de vaporisation . On nomme  en général "vapeur " un gaz  en présence du liquide correspondant , avant de pouvoir lui appliquer la formule ci dessus .
Employé seul "vapeur "  désigne l'eau sous forme gazeuse  qui est la matière que l'on rencontre le plus souvent  dans ses états liquide et gazeux . Pour être  clair on précise  son état
   - en équilibre  avec  l'eau   c'est de la Vapeur Saturée
   -à peine plus chaude c'est de la Vapeur sèche
   - à une température  plus élevée  on dit  Vapeur Surchauffée  qui dès une dizaine de degrés  devient du "gaz d'eau " répondant à la formule .
    - en refroidissant de la vapeur saturée,  l'eau n'apparait pas toujours  tout de suite on dit Vapeur Sursaturée , si cette eau  forme  un brouillard qui reste en suspension  c'est de la Vapeur Humide.
La vapeur  produite dans un ballon de chaudière  est , au mieux ,  saturée puisque en présence d'eau  ,
Dès qu'elle s'en échappe , sa pression baisse à cause des frottements et des obstacles de son parcours  et sa température aussi à cause des pertes thermiques  . Le refroidissement tend à la sursaturer voire former du brouillard  mais la baisse de sa pression a un effet contraire . Les moteurs pouvant accepter un peu de brouillard cela explique le bon fonctionnement de la majorité de nos  ensembles chaudière / moteur  
Les problèmes se posent quand on  augmente  la  production de vapeur  d'une  chaudière . L'éclatement des bulles dans le ballon produit des gouttelettes qui n' ont pas le temps de retomber et sont entraînées à la sortie c'est le primage .
La quantité d'eau susceptible d'être entraînée dépend de plusieurs facteurs  : la teneur en sels de l'eau dans le ballon , la géométrie  et surtout les taux de vaporisation rapportés à la surface de l'eau et du volume libre au dessus . plus le temps de séjour de la vapeur y  est long et plus de gouttes ont le temps de retomber  L'inconvénient majeur du primage résulte des sels contenus dans l'eau quand ils se déposent ensuite ..
C'est le primage qui limite la production de vapeur du ballon , en particulier pour les chaudières à tubes d'eau pour lesquelles les taux  ci dessus sont ,en général, moins favorables que pour celles à tubes de fumée .
 
  -Dans les centrales thermiques ou l'on surchauffe la vapeur à plusieurs centaines de degrés  pour augmenter le rendement thermodynamique de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique . La température  est limitée  par la tenue du métal du surchauffeur . On injecte de l'eau (très pure )  ,c'est un système complexe .
  - Dans  le usines pourvues d'un réseau de vapeur ( raffinerie , produit chimiques  etc ) il suffit d'avoir de la vapeur saturée . Pour les grosses productions un cyclone  est la solution souvent choisie .
  -Avec les chaudières autonomes , ou comme ci-dessus , on désire de la vapeur saturée , on peut installer , dans le ballon , une sorte de « pot d'échappement « comme les reniflards des moteurs ou compresseurs Cela s'appelle un dévésiculateur  (demister en anglais) . Les chaudières autonomes à tubes de fumée en sont souvent pourvues.Dans les deux cas ci-dessus   il est nécessaire d'installer des purgeurs d 'eau  en amont des points d'utilisation .
  -Lorsque le générateur de vapeur et le surchauffeur sont intégrés dans un process  , si la vapeur devient trop chaude, une solution simple consiste  à faire passer tout ou partie dans l'eau du ballon .
 Dans nos réalisations , en plus d'augmenter inutilement la consommation de combustible , l'inconvénient principal est de diminuer l'autonomie  ( si on ne récupère pas l'eau dans un condenseur ) . Nommé pompeusement surchauffeur un serpentin est chargé , au moins  de vaporiser l'eau entraînée.
      Ce «surchauffeur» peut être installé soit  à la sortie des fumées soit dans le foyer .
Placé dans la cheminée , il peut être réalisé en tube de cuivre car la température y est modeste  mais  il lui faut une surface non négligeable . Mis dans le foyer  , il faut utiliser un tube inox  .
   A notre échelle il est vain de vouloir  dimensionner  surchauffeur ou désurchauffeur. Seul critère possible : les baser sur une vitesse de vapeur de 20 à 40 m/ s. . Lors des essais ,avec échappement à l'air libre , il faut constater que de l'eau ne goutte pas et que le jet est bien transparent  sur 1 ou 2 cm (la vapeur est un gaz transparent et incolore )
Même si on a bien dimensionné le surchauffeur , pour une dizaine de degrés à la marche maxi  ( contrôle avec le dispositif décrit dans ce forum ),  il  peut  s'avérer trop puissant dans certains cas de marche  La température dépasse  celle admise par le lubrifiant du moteur    Il faut alors "désurchauffer"
J'ai adopté la dernière solution ci-dessus. Il n'y a pas de pertes  : le désurchauffeur joue le rôle d'un bouilleur . La bride d'entrée au surchauffeur accepte un joint en élastomère mais coté sortie il est plus prudent  d'avoir un joint métal/métal  et de  placer la jonction au ras du ballon Etant donné le bon coefficient d'échange de chaleur vapeur à grande vitesse / eau en ébullition  , un simple  U suffit .


JPA:
Dés que l'on vaporise, que l'on reste en vapeur saturée ou que l'on surchauffe, il est fortement recommandé d'utiliser de l'eau déminéralisée ou mieux de l'eau distillée. Si l'eau du robinet est relativement exempte de minéraux dans les régions granitiques comme la Bretagne, il n'en va pas de même en région parisienne, en haute Normandie ou en Picardie où l'eau est fortement calcaire. Les dépôts ne vont pas se faire uniquement à l'endroit où les gouttelettes se vaporisent mais vont se concentrer dans la chaudière elle-même. Au delà de 50°C les minéraux forment du tartre 'incrustant", celui-ci devient impossible à éliminer même avec les traitements les plus violents avec les acides les plus concentrés. Ceux qui possèdent des bateaux de plaisance dont le moteur est directement refroidi à l'eau de mer connaissent bien le problème.
L'acide ne doit surtout pas être utilisé à forte concentration car il amène de la "fragilité caustique", ce qui signifie que le métal perd en partie ses propriétés mécaniques, il devient poreux et les alliages comme les laitons se décomposent. Le vinaigre n'est pas trop agressif et peut être efficace si l'entartrage n'est pas trop important.
Si l'on ne rince pas régulièrement la chaudière, les dépôts vont devenir de plus en plus important et la concentration en minéraux va augmenter régulièrement. Sur les navires propulsés par des turbines à vapeur (j'ai navigué comme chef de quart machine sur des porte-containers équipés de chaudières Foster-Wheeler ESD III) on pratique l'extraction continue et des analyses quotidiennes permettent d'ajuster au mieux la quantité d'eau que l'on extrait de la chaudière. Sur nos petites installations il faut quand même renouveler l'eau de la chaudière de temps en temps.
Le tartre forme un excellent isolant thermique et, s'il est trop important, risque de diminuer la production de vapeur de manière conséquente.
Pour répondre à Bobino, les chaudières industrielles qui pratiquent la vaporisation instantanées (les chaudières Clayton par exemple) possèdent un séparateur de vapeur à la sortie de la chaudière. Cet appareil élimine les gouttelettes d'eau par centrifugation (voir le site "chaudières Clayton" sur internet).

Une vidéo de Keith qui explique bien l'interet de la vapeur surchauffée:
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