Manuel Technique
de la Vapeur Industrielle
Sommaire Général
- 1. Introduction : Le Vecteur Thermique Ultime
- 2. Thermodynamique Fondamentale
- 3. La Relation Pression-Volume-Transport
- 4. Ennemis de l'Efficacité : Air, Eau, Tartre
- 5. Qualité de la Vapeur & Phénomènes de Surchauffe
- 6. Gestion des Condensats & Revaporisation
- 7. La Révolution IoT : Méthodologie Wattnow
- 8. Annexes & Tables de Vapeur
- 9. Références & Sources
Avant-propos : Ce livre blanc est une extension technique des guides de l'Agence Nationale pour la Maîtrise de l'Energie (ANME). Il vise à fournir aux directeurs d'usine et responsables maintenance les outils théoriques et pratiques pour comprendre leur installation, couplés aux solutions modernes de monitoring Wattnow.
Introduction : Le Vecteur Thermique Ultime
La vapeur est utilisée comme vecteur d'énergie depuis les premiers jours de la révolution industrielle. Aujourd'hui encore, elle reste irremplaçable dans l'industrie de process (agroalimentaire, chimie, textile, papier) et la production d'électricité.
Pourquoi la vapeur domine-t-elle l'industrie ?
L'eau est le fluide le plus courant sur Terre, chimiquement stable, non toxique et bon marché. Mais ce sont ses propriétés thermodynamiques uniques qui en font le fluide caloporteur par excellence :
- Densité énergétique élevée : La vapeur peut transporter une quantité massive d'énergie dans un faible volume (grâce à la chaleur latente), ce qui permet de réduire la taille des installations.
- Transfert à température constante : La vapeur saturée se condense à température constante, garantissant une homogénéité parfaite de cuisson ou de chauffage.
- Coefficient d'échange élevé : La condensation libère l'énergie avec des coefficients de transfert thermique bien supérieurs à la convection liquide.
- Facilité de distribution : La vapeur se déplace sous l'effet de sa propre pression, sans pompe de circulation.
L'Approche Wattnow
Si la vapeur est un vecteur "parfait" en théorie, sa gestion est complexe. Les pertes sont invisibles (purgeurs fuyards, isolation défaillante, surconsommation). Wattnow transforme ce fluide invisible en données tangibles pour restaurer l'efficacité théorique de vos installations.
Thermodynamique Fondamentale
Pour maîtriser la vapeur, il faut maîtriser les concepts d'énergie, de température et de pression. Une confusion entre ces termes mène souvent à des erreurs de dimensionnement coûteuses.
2.1. Les Échelles de Température
Bien que l'industrie utilise couramment le degré Celsius (°C), les calculs thermodynamiques se basent sur l'échelle absolue Kelvin (°K).
2.2. La Pression : Absolue vs Effective
C'est la source d'erreur numéro un sur le terrain. Les manomètres industriels affichent une pression effective (bar eff ou bar g), c'est-à-dire la pression au-dessus de la pression atmosphérique.
2.3. L'Énergie de la Vapeur : Enthalpie
L'enthalpie spécifique (h) représente l'énergie contenue dans 1 kg de fluide. Elle se décompose en deux phases critiques lors de la production de vapeur :
Phase 1 : Enthalpie de l'eau (hf) - Chaleur Sensible
C'est l'énergie nécessaire pour chauffer l'eau de 0°C à sa température d'ébullition. Cette énergie "se sent" car elle fait monter la température.
Exemple (à pression atm) : Il faut 419 kJ pour porter 1 kg d'eau de 0°C à 100°C.
Phase 2 : Enthalpie d'évaporation (hfg) - Chaleur Latente
C'est l'énergie magique de la vapeur. Une fois à ébullition, l'eau absorbe une quantité massive d'énergie sans changer de température pour changer d'état (liquide → gaz).
Exemple (à pression atm) : Il faut 2 257 kJ pour transformer 1 kg d'eau à 100°C en vapeur à 100°C.
Observation Cruciale : À pression atmosphérique, l'énergie nécessaire pour évaporer l'eau (2 257 kJ) est plus de 5 fois supérieure à l'énergie pour la chauffer (419 kJ). C'est pour cela que la vapeur est si puissante.
2.4. Le Tableau des Enthalpies
| Pression (bar eff.) | Température (°C) | Chaleur Sensible (hf) | Chaleur Latente (hfg) | Énergie Totale (hg) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 100 | 419 | 2 257 | 2 676 |
| 1 | 120 | 506 | 2 201 | 2 707 |
| 6 | 165 | 697 | 2 066 | 2 763 |
| 10 | 184 | 781 | 2 000 | 2 781 |
| 14 | 198 | 845 | 1 947 | 2 792 |
La Relation Pression-Volume-Transport
Le tableau précédent révèle un phénomène fondamental : L'enthalpie d'évaporation (chaleur utile) diminue lorsque la pression augmente. Pourquoi alors produisons-nous de la vapeur à haute pression ? La réponse réside dans le Volume Spécifique.
3.1. Volume Spécifique (v)
La vapeur est un gaz compressible. À basse pression, elle occupe un volume énorme. À haute pression, elle est comprimée.
- Vapeur à 1 bar eff : 0,881 m³/kg
- Vapeur à 7 bar eff : 0,240 m³/kg
La vapeur à 1 bar occupe presque 4 fois plus de place que la vapeur à 7 bar !
3.2. Capacité de Transport des Tuyauteries
Étude de Cas : Transport de 100 kW de chaleur
Comparons deux tuyauteries DN 25 transportant la vapeur à une vitesse standard, l'une à 2 bar, l'autre à 6 bar.
Cas A : Vapeur à 2 bar eff (hfg = 2163 kJ/kg, v = 0,603 m³/kg)Débit massique : 100 kW / 2163 = 0,046 kg/s
Débit volumique : 0,046 × 0,603 = 0,028 m³/s
Vitesse dans DN25 : 57 m/s (Trop élevé ! Bruit, érosion, perte de charge).
Cas B : Vapeur à 6 bar eff (hfg = 2066 kJ/kg, v = 0,272 m³/kg)
Débit massique : 100 kW / 2066 = 0,048 kg/s
Débit volumique : 0,048 × 0,272 = 0,013 m³/s
Vitesse dans DN25 : 27 m/s (Parfait).
3.3. La Règle d'Or de l'Efficacité
- Produire et Distribuer à Haute Pression : Pour minimiser la taille des tuyauteries.
- Détendre à Basse Pression avant Utilisation : Juste avant l'échangeur, cela augmente l'enthalpie d'évaporation disponible.
Les Ennemis de l'Efficacité : Air, Eau et Tartre
Dans un échangeur idéal, la vapeur touche directement le métal pour céder sa chaleur. Dans la réalité, des "films" parasites se forment, créant des barrières thermiques redoutables.
4.1. L'Air et les Gaz Incondensables
L'air est le pire ennemi du transfert thermique. Il provient de l'eau d'alimentation (O2 et N2 dissous) ou des entrées d'air lors des arrêts.
Comparatif de Résistance Thermique
Un film d'air de 0,025 mm d'épaisseur offre la même résistance thermique qu'un mur de cuivre de 380 mm d'épaisseur !
L'air est 1 500 fois plus isolant que le cuivre.
4.2. Le Film d'Eau (Condensat)
L'eau conduit la chaleur 60 fois moins bien que l'acier. Si les purgeurs n'évacuent pas le condensat instantanément, l'échangeur se "noie".
Diagnostic Wattnow
Wattnow monitore le ratio Consommation Vapeur / Évolution Température Produit. Si la consommation reste stable mais que le produit chauffe moins vite, une maintenance (détartrage ou purge) est requise.
Accès technique réservé
Complétez le formulaire pour recevoir immédiatement les chapitres 5 à 9 et les abaques de calcul.
Recevoir le guide complet
Ingénieurs, responsables utilités : méthodes, calculs, KPIs.
Qualité de la Vapeur & Phénomènes de Surchauffe
Une chaudière industrielle standard ne produit pas une vapeur "parfaite". La qualité de la vapeur influence directement la productivité et la longévité des équipements.
5.1. Le Titre de la Vapeur (x)
Lors de l'ébullition dans la chaudière, des gouttelettes d'eau sont entraînées avec la vapeur. On parle de "vapeur humide".
- Vapeur Sèche (x=1) : 100% gaz. Idéal théorique.
- Vapeur Standard (x=0,95) : 95% gaz, 5% eau liquide.
Problème économique : L'eau liquide à 180°C contient 4 fois moins d'énergie que la vapeur. Si vous payez pour produire 1 tonne de vapeur à titre 0,90, vous payez pour 100 kg d'eau qui n'apporteront aucune chaleur latente utile.
5.2. Le Phénomène de Surchauffe
La vapeur surchauffée est une vapeur chauffée au-delà de sa température de saturation (ex: 6 bar à 200°C au lieu de 165°C).
Calcul de Surchauffe
Détente de vapeur sèche de 6 bar vers 1 bar.
- Amont (6 bar) : hg = 2764 kJ/kg.
- Aval (1 bar, saturée) : hg = 2707 kJ/kg.
- Excès d'énergie : 57 kJ/kg.
Hausse Temp = 57 / 2,06 ≈ 28°C.
Température finale = 120°C (saturation) + 28°C = 148°C.
Bien que plus chaude (148°C vs 120°C), la vapeur surchauffée se comporte comme un gaz sec. Son coefficient de transfert thermique est très faible. Elle doit d'abord refroidir jusqu'à la saturation avant de pouvoir se condenser.
Gestion des Condensats & Revaporisation
Le condensat n'est pas un déchet, c'est de l'eau traitée chimiquement et chargée d'énergie (chaleur sensible). Sa récupération est impérative.
6.1. La Vapeur de Revaporisation (Flash Steam)
Lorsqu'un condensat chaud à haute pression est évacué vers une zone à basse pression (ex: retour bâche à pression atm), il contient trop d'énergie pour rester liquide.
Exemple : Condensat à 4 bar eff (152°C, hf=641 kJ/kg) rejeté à l'atmosphère (hf=419 kJ/kg, hfg=2257 kJ/kg).
% Flash = (641 - 419) / 2257 = 0,098 soit 9,8%.
6.2. Implications Économiques
Sur une usine consommant 10 tonnes/heure de vapeur à 4 bar :
- 1 tonne de vapeur est perdue en "panache blanc" à la sortie des purgeurs si elle n'est pas récupérée.
- C'est une perte d'eau, de produits chimiques et d'énergie.
Solution Optimisée
Ce "Flash Steam" est une vapeur gratuite ! Au lieu de la laisser s'échapper, il faut l'isoler dans un ballon de revaporisation et l'injecter dans un réseau basse pression. Wattnow permet de quantifier ce gisement d'énergie perdue en mesurant les températures de retour condensat.
La Révolution IoT : Méthodologie Wattnow
La thermodynamique dicte les règles, mais l'IoT permet de vérifier qu'elles sont respectées. Une installation vapeur non monitorée dérive naturellement vers l'inefficacité.
7.1. L'Architecture de Monitoring
- Compteurs Vapeur (Vortex/Diaphragme) : Mesure des débits massiques corrigés en Pression/Température.
- Sondes de Température (Wireless) : Placées en entrée/sortie des échangeurs et sur les retours condensats.
- Capteurs de Pression : Pour vérifier la stabilité du réseau.
7.2. Tableaux de Bord & KPI
| Indicateur (KPI) | Signification Physique | Action Corrective |
|---|---|---|
| Ratio Vapeur/Produit | Kg de vapeur pour produire 1 tonne de produit. | Si augmente : Fuites ou baisse de rendement échangeur. |
| Stabilité Pression | Variations de pression au point d'utilisation. | Si instable : Chaudière sous-dimensionnée ou pics de charge mal gérés. |
| Qualité Vapeur | Proximité avec la courbe de saturation. | Si T° > T°sat : Surchauffe inutile. Si T° < T°sat : Présence d'air. |
| Débit Nuit/Weekend | Consommation à l'arrêt de l'usine. | C'est la mesure directe des fuites statiques. |
Étude de Cas : Industrie Agroalimentaire
Contexte : Usine de transformation de tomates. Consommation théorique élevée.
Diagnostic Wattnow : Les capteurs ont révélé que la nuit, alors que la production était stoppée, la chaudière maintenait un débit de 800 kg/h.
Cause : Une vanne de by-pass sur un gros échangeur était restée légèrement ouverte, et 4 purgeurs thermodynamiques étaient bloqués ouverts.
Résultat : Réparation immédiate. Économie de 40 000 TND / an avec un ROI de 3 mois sur la solution IoT.
Tables de la Vapeur Saturée
Référence rapide pour vos calculs quotidiens.
| Pression (Bar Abs) | Température (°C) | Vol. Spécifique Gaz (m³/kg) | Enthalpie Latente (kJ/kg) |
|---|---|---|---|
| 1 | 99,6 | 1,694 | 2258 |
| 2 | 120,2 | 0,885 | 2201 |
| 3 | 133,5 | 0,606 | 2163 |
| 4 | 143,6 | 0,462 | 2133 |
| 5 | 151,8 | 0,375 | 2108 |
| 6 | 158,8 | 0,315 | 2086 |
| 7 | 165,0 | 0,272 | 2066 |
| 8 | 170,4 | 0,240 | 2048 |
| 10 | 179,9 | 0,194 | 2015 |
| 15 | 198,3 | 0,132 | 1947 |
| 20 | 212,4 | 0,099 | 1890 |
| 25 | 223,0 | 0,080 | 1835 |
Données issues du Guide ANME et des tables NIST
Sources Bibliographiques
Ce livre blanc a été rédigé par les experts en efficacité énergétique de Wattnow, sur la base des référentiels techniques nationaux et internationaux.
Sources Principales
- ANME : Guide sur la Vapeur - Tome 1 : Principes physiques de la vapeur. Programme d'Efficacité Énergétique dans le Secteur Industriel.
- IAPWS : Formulation IAPWS-IF97 pour les propriétés thermodynamiques de l'eau et de la vapeur.
- Spirax Sarco : Steam Engineering Handbook, 2022.
Normes Associées
- ISO 50001 : Systèmes de management de l'énergie.
- ISO 50015 : Mesure et vérification de la performance énergétique.
À propos de Wattnow
Wattnow est une solution IoT de gestion de l'énergie qui aide les industriels à visualiser, analyser et optimiser leur consommation énergétique en temps réel. Notre technologie combine hardware (capteurs intelligents) et software (plateforme analytique) pour rendre visibles les gaspillages invisibles.
Avis de non-responsabilité : Les informations contenues dans ce document sont fournies à titre indicatif. Nous ne faisons aucune déclaration ni garantie concernant l'exhaustivité, l'exactitude ou la fiabilité du contenu.
Diagnostic de votre réseau vapeur
Wattnow propose des solutions de monitoring et d'optimisation pour systèmes vapeur.
Contacter Wattnow