Vapeur et condensats

La vapeur transporte beaucoup de chaleur dans peu de masse, puis elle redevient de l'eau. Toute la difficulté est là : la produire à la bonne pression, la mener sans la noyer, récupérer les condensats sans coup de bélier, et ne pas réévaporer en pure perte ce qu'on vient de condenser.

82.1 L'installation de l'exemple

Le chapitre s'appuie sur une stérilisation d'hôpital générique, sans site. Deux autoclaves, jamais en même temps, chacun appelant 80 kW pendant le palier. La distribution est de la vapeur saturée sèche à 3,0 bar absolus, soit 133,5 °C. La chaleur latente y vaut 2 163,4 kJ/kg : il faut 133,1 kg/h de vapeur. Les condensats retombent dans une bâche ouverte, 8 m plus bas, et une pompe les relève. On récupère 95 % du débit, hypothèse d'exemple : 126,5 kg/h. Le reste est de l'appoint. Toutes ces valeurs sont des hypothèses du 10 novembre 2026. Les propriétés viennent de la formulation industrielle IAPWS-IF97, la même que celle du chapitre 4.

82.2 Produire et distribuer

On parle souvent de vapeur basse pression dès qu'on reste sous quelques bars. Le seuil usuel est plus bas : 0,5 bar effectif, au-delà duquel la directive 2014/68/UE s'applique. L'exemple est à 3,0 bar absolus, soit 1,99 bar effectif. Il relève de ce texte, ce que la section 82.7 reprend. La chaudière livre de la vapeur saturée, ou très légèrement surchauffée pour que la conduite ne commence pas à condenser dès la sortie. Chaque mètre de tube nu est un condenseur : sur les 40 m d'aller de l'exemple, le métal nu perd 4 993 W, soit 6,24 % du palier. Quarante millimètres d'isolant (conductivité 0,04 W/(m·K), ordre de grandeur usuel) ramènent la perte à 959 W, soit 1,20 %. On isole, et on pose une pente continue vers un point de purge : la vapeur qui se condense en route doit pouvoir s'en aller, sinon elle forme un bouchon.

Le débit de vapeur est la puissance divisée par la chaleur latente. La vitesse en découle. L'usage, au 10 novembre 2026, plafonne une conduite de vapeur sèche vers 25 m/s : au-delà le bruit et l'érosion des coudes augmentent, en deçà on paie un tube inutilement gros. Ce n'est pas une exigence de norme. Le plus petit diamètre intérieur multiple de 5 mm qui tient ce plafond fait ici 35 mm, à 23,3 m/s. Ce cran de 5 mm n'est pas une série commerciale : le tube se choisit ensuite dans un DN dont le passage couvre ce calcul. La perte de charge, Colebrook avec les singularités d'exemple, vaut 14,3 kPa sur 40 m : peu devant les 3 bar, assez pour qu'on ne l'oublie pas au dernier autoclave.

82.3 Détente et ré-évaporation

Un condensat quitte l'échangeur à la pression de la vapeur, avec l'enthalpie du liquide saturé. La bâche est à l'atmosphère. La détente dans le purgeur ne fait pas de travail et n'échange presque pas : l'enthalpie se conserve. À la pression aval, cette enthalpie est trop grande pour un liquide saturé. L'excédent réévapore :

x = (h − h'(p_aval)) / r(p_aval)

Exemple 1, ré-évaporation à la bâche. On part du liquide saturé à 3,0 bar et l'on détend à l'atmosphère.

1. Enthalpie du liquide saturé à l'amont : 561,5 kJ/kg. À 100,0 °C, le liquide saturé n'en garde que 419,0 kJ/kg, et la chaleur latente vaut 2 256,5 kJ/kg.
2. Titre : (561,5 − 419,0) / 2 256,5 = 6,31 %. Sur 126,5 kg/h récupérés, 7,98 kg/h redeviennent de la vapeur dans la bâche.
3. Cette vapeur est perdue si personne ne la reprend sur un usage à basse température. La figure 82.1 fait varier la pression de distribution : plus on détend de haut, plus la bâche fume.
4. Un purgeur thermostatique qui laisse le condensat 8 K sous la saturation amont (133,5 °C) abaisse l'enthalpie à 527,3 kJ/kg. Le titre tombe à 4,80 % et la revapeur à 6,07 kg/h. Ce sous-refroidissement se compte sous 133,5 °C, pas sous 100 °C : le liquide qui sort du purgeur se détend encore jusqu'à l'ébullition dans la bâche.

On ne sous-refroidit pas pour le plaisir : chaque kelvin rendu à l'échangeur est de la chaleur qui n'est pas allée au procédé. On le fait quand la revapeur n'a pas d'emploi. Protéger la pompe est une autre affaire : c'est la température de la bâche, pas celle du purgeur, qui fixe le NPSH.

82.4 Familles de purgeurs, choix, contrôle

Le purgeur laisse passer le condensat et retient la vapeur. Quatre familles couvrent presque tous les cas ; le choix se fait sur le sous-refroidissement accepté et sur la façon dont l'appareil se comporte à charge variable.

• Le flotteur ouvre dès qu'un niveau de liquide se forme. Il évacue au fur et à mesure, presque sans sous-refroidissement. C'est le bon choix sur un échangeur de procédé ou un autoclave, où retenir le condensat noie la surface et fait chuter la puissance. Il craint le gel. Le flotteur seul demande une purge d'air séparée au démarrage ; le flotteur et thermostatique l'intègre.
• Le thermostatique (capsule ou bilame) reste fermé tant que le fluide est proche de la saturation, et s'ouvre une fois le condensat refroidi. Il sous-refroidit, ici de 8 K dans l'exemple. Il convient au traçage et aux batteries qui supportent ce retard. Il sert aussi d'éliminateur d'air au démarrage, parce que l'air froid l'ouvre.
• Le thermodynamique, à disque, s'ouvre par la pression du condensat et se referme quand de la revapeur rapide passe sous le disque. Compact, il va sur les purgeurs de ligne, en point bas de conduite. Il use son disque, et il bat si la contre-pression aval est trop proche de la pression amont.
• Le seau inversé flotte quand la vapeur le remplit et coule quand le condensat le noie. Robuste, il fuit grand ouvert si le seau se perce : la panne se voit. Il a besoin d'un joint d'eau au démarrage.

Le contrôle ne se fait pas à l'oreille seule. Un regard en aval montre un écoulement de liquide, par à-coups selon la famille, et non un jet de vapeur continu. La température juste après un flotteur colle à la saturation de la pression aval ; un écart durable, c'est un purgeur fermé et un échangeur noyé, ou un purgeur grand ouvert qui passe la vapeur vive. On note la pression amont, la contre-pression et cette température au procès-verbal. Remplacer un flotteur par un thermostatique « parce qu'on en a un » change le titre de revapeur et la puissance de l'échangeur : ce n'est pas un échange standard.

82.5 Retour, relevage, coup de bélier

La conduite de revapeur, celle qui part du purgeur vers la bâche, voit surtout le volume de la vapeur réévaporée. L'usage plafonne cette conduite vers 15 m/s. Ici, 20 mm intérieurs donnent 11,8 m/s. Le liquide qui reste, 0,19 m/s une fois le diamètre plancher de 15 mm retenu, irait dans 10 mm si l'on ne suivait que le plafond de 1 m/s. On ne le fait pas : une conduite de condensats aussi fine se bouche. Le plancher de 15 mm est une hypothèse d'exemple, la perte tombe à 1,86 kPa.

Relever le liquide restant après la revapeur, 118,5 kg/h, sur 8,20 m ne demande que 2,6 W hydrauliques. La pompe n'est pas un problème de puissance. C'est un problème de NPSH. La perte qui compte est celle de la conduite courte qui va de la bâche à la pompe, ici 2,0 m en 20 mm, pas celle des 40 m de retour.

Exemple 2, NPSH de la pompe de relevage.

1. Bâche ouverte, eau à l'ébullition : la pression de vapeur égale la pression du ciel. Le terme (p − p_vap) / (ρ g) est nul.
2. Il reste la hauteur d'eau au-dessus de la roue, 0,30 m, moins la perte d'aspiration. Cette perte vaut 0,044 kPa, quelques millimètres. Le disponible affiché est 0,30 m, sous les 0,50 m requis. La pompe cavite.
3. Tenir la bâche 8 K sous l'ébullition, à 92,0 °C, est un autre réglage que les 8 K du purgeur. On l'obtient par l'appoint froid ou par un échangeur qui reprend la revapeur. Le disponible passe à 3,01 m, la même perte d'aspiration étant retranchée. On refroidit la bâche, ou l'on relève le niveau, avant de changer la pompe.

Le coup de bélier est l'autre panne de ce réseau. Un bouchon de condensat poussé par la vapeur s'arrête sur un coude de la conduite vapeur, celle de 35 mm, pas sur le petit tube de condensats. La surpression de Joukowsky vaut ρ·c·Δv, avec la célérité d'une conduite d'acier élastique et la masse volumique du condensat. Ici c = 1 415 m/s. Arrêter un bouchon qui allait à 2 m/s produit 27,12 bar, très au-dessus de la pression de service. Un bouchon chassé par la vapeur va souvent bien plus vite que 2 m/s : à 10 m/s, le même calcul donne 135,6 bar. Ce n'est pas un calcul d'épaisseur : c'est la raison des pentes, des purgeurs de ligne et de l'interdiction d'ouvrir vite une vanne sur une conduite froide encore pleine d'eau. On entend le choc ; on le supprime en vidangeant, pas en « renforçant » le support.

82.6 Mettre en service et diagnostiquer

Au démarrage la conduite est pleine d'air et de condensats froids. On ouvre les purges manuelles, on chauffe lentement, on ne ferme les purges qu'une fois la vapeur franche. Un autoclave qui monte trop lentement a souvent un purgeur fermé ou une conduite à contre-pente, pas une chaudière trop petite. Une bâche qui fume beaucoup alors que les procédés sont au ralenti a un purgeur qui passe la vapeur vive : le regard le montre, la température aval aussi. Une pompe de relevage bruyante, avec un débit en accordéon, cavite : on mesure la température de la bâche avant de démonter la roue.

82.7 Sécurité et réglementation

La soupape de sûreté se tare au plus à la pression maximale admissible PS. Sa décharge est canalisée vers un lieu sûr : on ne la bouche pas, et l'on ne la renvoie pas dans un local occupé. Les sécurités de la chaudière, manque d'eau, niveau et pressostat, restent en service. Les shunter « pour finir le cycle » est la panne que l'on ne répare pas ensuite. L'évent de la bâche atmosphérique ne s'obture jamais : fermé, il transforme la bâche en capacité sous pression, ou il la fait s'écraser au refroidissement.

La directive 2014/68/UE, version consolidée au 30 mai 2026, vise les équipements dont PS dépasse 0,5 bar. À 1,99 bar effectif, la distribution de l'exemple y est. Elle porte sur la mise sur le marché : conception, fabrication, évaluation de conformité. En France, le suivi en service est celui de l'arrêté du 20 novembre 2017 : inspections et requalifications périodiques, dossier d'exploitation, liste des générateurs de vapeur et des récipients. On ne recopie pas ici les échéances, qui dépendent de l'équipement et d'un éventuel plan d'inspection.

À retenir

• Le débit de vapeur est la puissance divisée par la chaleur latente : 80 kW à 3,0 bar, c'est 133,1 kg/h.
• Détendre un condensat saturé réévapore. De 3,0 bar à l'atmosphère, le titre vaut 6,31 %. Sous-refroidir de 8 K le ramène à 4,80 %.
• Flotteur sur l'échangeur de procédé, thermostatique si l'on accepte de sous-refroidir, thermodynamique en purge de ligne. On contrôle au regard et à la température aval.
• La pompe de relevage ne coûte ici que 2,6 W. Dans une bâche à l'ébullition, le NPSH disponible n'est que 0,30 m : elle cavite. Huit kelvins sous l'ébullition, dans la bâche, le portent à 3,01 m.
• Un bouchon arrêté à 2 m/s dans la conduite vapeur produit 27,12 bar. La pente et les purges évitent le bouchon. La soupape se tare au plus à PS, et l'évent de bâche reste ouvert.
• Vitesse d'usage, novembre 2026 : 25 m/s en vapeur sèche, 15 m/s en revapeur, 1 m/s en liquide, avec un plancher de diamètre pour que la conduite de condensats ne se bouche pas.

Sources publiques : formulation industrielle IAPWS-IF97 (IAPWS, 2007), appelée par la façade du cours comme au chapitre 4 ; perte de charge de Colebrook, chapitre 9 ; coup de bélier de Joukowsky et célérité d'une conduite élastique, manuels d'hydraulique ; directive 2014/68/UE, version consolidée au 30 mai 2026, pour le seuil de 0,5 bar et la mise sur le marché ; arrêté du 20 novembre 2017 pour le suivi en service, inspections et requalifications, sans reprise des échéances. Plafonds de vitesse, conductivité d'isolant et coefficient du tube nu : ordres de grandeur usuels au 10 novembre 2026, à confronter au calcul, pas des exigences normatives. Le pas de 5 mm n'est pas un DN. Installation : stérilisation d'un hôpital générique, hypothèses d'exemple. Tous les nombres viennent du modèle du chapitre.