Vapeur

Introduction

La révolution industrielle (vers 1760-1820) a peut-être été alimentée par le charbon, mais elle a été propulsée par la vapeur. Les humains exploitent la puissance de la vapeur depuis des milliers d'années, mais ce n'est que depuis les 200 dernières années que nous avons commencé à en dépendre pour d'innombrables applications industrielles. Ce cours examine les origines de la vapeur, sa théorie (thermodynamique), sa génération et ses applications.

Chaudières à tubes de fumée

Histoire

La première utilisation de la vapeur a été enregistrée il y a plusieurs milliers d'années. Héron d'Alexandrie a créé l'une des premières turbines à vapeur au 1er siècle, mais le concept a vu peu d'applications jusqu'à bien plus tard dans les années 1800.

Éolipyle (Moteur de Héron)

Au début de la révolution industrielle, James Watt a conçu un moteur à piston alternatif entraîné par la vapeur ; le design était appelé machine à vapeur. La machine à vapeur a été largement adoptée et est devenue l'un des moteurs principaux les plus emblématiques de l'époque.

Dessin de la machine à vapeur de Boulton et Watt

Mais James Watt n'était pas le seul à utiliser la puissance de la vapeur pour accomplir un travail utile. D'autres ingénieurs ont rapidement réalisé que les machines à vapeur pouvaient être utilisées pour une large gamme d'applications. Certaines applications incluaient l'alimentation de locomotives ferroviaires, de tracteurs et de navires.

Automobile à vapeur

À peu près au même moment que les applications de la vapeur se développaient, des avancées rapides en ingénierie électrique ont conduit à une augmentation de la demande pour des moteurs principaux pouvant être utilisés pour générer la nouvelle merveille de l'époque... l'électricité !

Les turbines à vapeur se sont avérées être des moteurs principaux idéaux pour la nouvelle industrie de la production d'énergie. Aujourd'hui, plus de 80 % de l'électricité mondiale est fournie par des moteurs principaux à turbine à vapeur.

Presque tous les moteurs principaux de la révolution industrielle étaient alimentés par la vapeur, et ce sont les chaudières qui fournissaient cette vapeur. À mesure que les applications de la vapeur ont augmenté, la quantité et les variations de conception des chaudières à vapeur ont également augmenté. Les avancées technologiques et matérielles ont permis la création de moteurs principaux toujours plus grands, ce qui a conduit à une augmentation correspondante de la taille et de la puissance des chaudières à vapeur.

La vapeur est utilisée dans presque tous les processus industriels modernes, soit directement dans le processus, soit pour des services secondaires tels que le chauffage de l'eau, ou le chauffage des espaces. La prochaine leçon discute des principales utilisations de la vapeur.

Utilisations de la vapeur

La vapeur est utilisée pour quatre principales raisons :

• Chauffage – circuit fermé. Conception simple. Basses pressions et températures.
• Production d'énergie – les conceptions des systèmes varient de simples à sophistiquées. Large gamme de pressions et de températures. Peut produire des quantités moyennes à très grandes de vapeur.
• Processus industriels – très similaires aux systèmes de vapeur pour la production d'énergie bien que des tolérances beaucoup plus strictes concernant la qualité de la vapeur puissent exister. Les systèmes de vapeur sont souvent critiques pour le processus de production de l'usine/fabrique, c'est-à-dire pas de vapeur = pas de production.
• Travail mécanique – la vapeur peut -et est- utilisée pour entraîner des pompes, des compresseurs et d'autres éléments de machinerie qui peuvent ne pas convenir à un entraînement électrique ou à un autre type d'entraînement.

Il est rare de visiter une usine industrielle qui n'a pas de chaudière sur place. Bien que les utilisations de la vapeur soient nombreuses, elles appartiennent généralement à l'une des quatre catégories mentionnées ci-dessus.

Pourquoi la vapeur ?

La civilisation humaine nécessite de l'énergie pour fonctionner, beaucoup d'énergie. Sans énergie, il ne serait pas possible de pomper de l'eau vers les villes, de fournir de l'électricité aux foyers, de conduire des automobiles ou de chauffer des bâtiments. Avant d'être utilisée par les consommateurs finaux, toute l'énergie doit d'abord être générée et acheminée jusqu'au point d'utilisation.

L'électricité est un exemple d'énergie acheminée. Les centrales électriques génèrent de l'électricité en convertissant l'énergie thermique, de pression et/ou cinétique en courant électrique. La conversion de la source d'énergie d'origine en énergie électrique permet de l'acheminer facilement sur de vastes distances jusqu'au point d'utilisation.

Bien que d'autres fluides énergétiques soient disponibles, la vapeur est considérée comme « le fluide énergétique » et est de loin le fluide énergétique le plus couramment utilisé aujourd'hui. Les raisons de la popularité de la vapeur sont étroitement liées aux propriétés de l'eau à partir de laquelle elle est fabriquée. L'eau est :

• Abondante.
• Facile d'accès (dépend de la localisation géographique).
• Bon marché par rapport à d'autres fluides énergétiques.
• Non toxique.
• Facilement acheminée, c'est-à-dire qu'elle peut être pompée.
• Facilement contrôlée, c'est-à-dire avec des vannes, etc.

Après que l'eau soit convertie en vapeur, elle devient un fluide énergétique avec de nombreuses propriétés avantageuses :

• Une masse donnée de vapeur peut contenir cinq à six fois plus d'énergie qu'une masse équivalente d'eau.
• Elle peut être générée efficacement ; de nombreuses chaudières fonctionnent avec une efficacité thermique >80%.
• Elle peut être distribuée facilement en créant une différence de pression dans le système de vapeur.
• Elle est non toxique et ne nuit pas à l'environnement.
• Elle ne produit pas d'étincelles, ne s'enflamme pas et ne se consume pas (intrinsèquement sûre).
• La quantité d'énergie dans le système peut être facilement régulée en régulant la pression de la vapeur.
• Les propriétés de transfert de chaleur de la vapeur sont élevées.

D'autres fluides énergétiques ne sont généralement utilisés que si certaines variables rendent l'utilisation de la vapeur indésirable. Par exemple, les huiles thermiques (huile minérale) sont utilisées pour acheminer de grands volumes de chaleur à des températures très élevées pour lesquelles la vapeur peut ne pas être adaptée. Pour des raisons de sécurité, les bâtiments sont souvent chauffés par de l'eau chaude bien en dessous de son point d'ébullition ; les pressions et températures plus basses exercent également moins de stress sur les tuyauteries et les composants du système, ce qui leur confère une durée de vie plus longue.

Le système de vapeur

Le but de la vapeur est de transporter l'énergie de l'endroit où elle est générée à l'endroit où elle est requise, tout en minimisant les pertes d'énergie associées à l'acheminement. Pour ce faire, les systèmes de vapeur se composent de quatre parties principales.

• Système de combustible – fournit l'énergie chimique à la chaudière (ou à la turbine à combustion si un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) est utilisé).
• Chaudière – convertit l'énergie chimique du combustible en énergie thermique.
• Distribution – achemine la vapeur jusqu'au point d'utilisation.
• Collecte/Récupération – récupère le condensat (eau) du système de vapeur et le renvoie à la chaudière.

Les systèmes mentionnés ci-dessus forment un cycle de processus de base :

1. Génération
2. Distribution
3. Récupération
4. Répétition

L'énergie est transférée à la vapeur lors de la génération. La vapeur est ensuite distribuée au point d'utilisation où une partie de l'énergie est transférée de la vapeur. La perte d'énergie provoque la condensation d'une partie de la vapeur pour former du condensat, qui est ensuite récupéré, traité et renvoyé à la chaudière. L'ensemble du processus est conçu sur la base du transfert d'énergie.

1. Génération – l'énergie chimique du combustible est transférée à l'eau. L'eau de la chaudière bouille puis s'évapore pour former de la vapeur.
2. Distribution – l'énergie est acheminée jusqu'au point d'utilisation.
3. Récupération – une partie de la vapeur cède de l'énergie au point d'utilisation et condense pour former de l'eau.
4. Répétition – l'énergie restante dans le condensat est renvoyée à la chaudière.

Notez que dans les centrales électriques, un condenseur peut être utilisé pour transformer la vapeur d'échappement d'une turbine à vapeur en condensat avant qu'elle ne soit renvoyée à la chaudière.

Ressources supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Steam

https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html

https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam