La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective", et d'autre part que les analyses et courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration " toute reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite ".

1.1. L'HYDRONIQUE

Définition
L'eau est un fluide de transfert thermique très utilisé en génie climatique, surtout en phase liquide mais aussi bien en phase gazeuse (la vapeur d'eau) que - plus exceptionnellement - en phase solide (la glace). Lorsque le fluide est utilisé sans consommation ni rejet (voir le sanitaire) nous parlons ici d'hydronique, le terme hydraulique étant réservé aux applications où l'eau n'est pas utilisée en circuit fermé.

Domaines d'utilisation
La glace est surtout utilisée pour le stockage de froid, grâce à sa chaleur de fusion relativement élevée : 3335 [J/kg]. Ses propriétés son examinées plus en détail dans le guide :
nR61. L'air humide, la glace et l'eau glacée. La vapeur d'eau, généralement saturée, est aujourd'hui utilisée :
- soit, sous la forme «vapeur basse pression» en chauffage d'ambiance, système devenu rare,
- soit sous la forme «vapeur haute pression» dans la applications de type industriel ou chauffage urbain. Pour toutes ces applications, et certaines formes connexes, voir pour plus de détails :
nR60. Les bases du chauffage.
L'eau à l'état liquide reste l'un des fluides de transfert de chaleur ou de froid les plus utilisés. Les domaines de température pratiqués sont très variés, ainsi que l'indique le paragraphe suivant.


1.2. LES DOMAINES HYDRONIQUES

Les températures d'alimentation
L'encadré suivant indique, à titre informatif, les applications le plus couramment envisagées selon la température d'alimentation en eau.

Les chutes de température Les températures types (aujourd'hui préférées) sont les suivantes. . en eau glacée : 11-7 [°C] (chute de 10 K), éventuellement (si possible) 14-6 [°C] (écart de 8 K) ; . en eau chaude basse température (panneaux) : 50-42 [°C] (chute de 8 K) ; . en chauffage à chaude courant (radiateurs) : 80-65 [°C] (chute de 15 K) ;


1.3. LES PRESSIONS

Mise en garde importante
En génie climatique faisant intervenir l'eau et la vapeur d'eau il est fait référence à des unités de pression très variées, malheureusement exprimées avec des unités disparates. Les formules adoptées par la suite utilisant l'unité «légale» de pression, le pascal [Pa], il faut souvent faire des conversions.

Les différentes unités de pression que vous pouvez trouver sont les suivantes.
1. Le pascal [Pa] est l'unité S.I. de référence : c'est celle que nous adoptons sauf précision contraire.
C'est malheureusement une unité très petite, qui est assez souvent remplacée par d'autres.

2. On utilise, parfois, les unités dérivées du bar, avec les équivalences suivantes :
. 1 bar (abréviation : [bar]) vaut 100 000 pascals,
. 1 millibar [mbar] vaut 100 pascals.

3. Certains textes utilisent encore l'atmosphère [atm], qui vaut 101300 [Pa].

4. Vous pouvez également trouver des pressions exprimées en hauteur de mercure : le «mètre de mercure», et le «millimètre de mercure» ou le «centimètre de mercure». Le mètre de nercure [mHg] vaut 133300 [Pa].

5. Dans notre domaine vous trouverez également des pressions exprimées en hauteur d'eau :
. le mètre d'eau, noté souvent meau ou mCE (pour «mètre de colonne d'eau»), qui vaut 9807 [Pa],
. le centimètre d'eau [cmeau], dit souvent «centimètre de colonne d'eau» (cmCE), valant 98,07 [Pa]
. le millimètre d'eau [mmeau], dit souvent «millimètre de colone d'eau» (mmCE), valant 9,807 ≈ 10 [Pa].


La conversion des unités

La conversion des unités de pression fait intervenir les coefficients fournis à l'encadré 1.A,

Les «deux» pressions
Outre la variété des unités l'expression des pressions peut se heurter à une deuxième difficulté, qui est susceptible de créer des confusions supplémentaires, il s'agit de la distinction à faire entre :
. les pressions absolues, les vraies pressions,
. et les pressions effectives, égales à l'écart entre le pression absolue et la pression atmosphérique.

Pour faire les conversions utilisez les formules de l'encadré 1.B qui reposent sur les bases suivantes :
. la pression atmosphérique est la pression atmosphérique normale selon l'altitude (voir guide nR41).
. dans le cas où vous ne fournissez pas l'altitude celle-ci est prise égale à zéro.

1.4. LA PRESSION DE SATURATION (DE VAPEURSATURANTE)

Les tables «classiques»
Pour fixer les propriétés de l'eau et de la vapeur d'eau, on a longtemps utilisé les tables de l'eau et de la vapeur d'eau. Ces tables existent toujours : en voici, à la page suivante, deux exemples.

Des tables aux formules Pour fixer les propriétés de l'eau et de la vapeur d'eau, les spécialistes traditionnels de l'énergétique ont utilisé les tables de l'eau et de la vapeur d'eau, qui ont été publiées dans tous les pays développés. Ces tables existent toujours, mais il est de plus en plus fréquent de recourir à des calculs sur ordinateur. Ce qu fait qu'actuellement la présentation peut exister sous trois formes.

1. La première forme - la plus ancienne - consiste à utiliser des tables (plus ou moins détaillées), dont vous trouverez deux exemples à la page précédente.

2. La deuxième forme concerne les formules que nous appellerons «formules de référence» au paragraphe
1.6. Nous en déconseillons l'emploi courant, ces formules - très complexes, et d'ailleurs récemment révisées - servant uniquement à établir les tables de vapeur d'eau précitées.

3. La troisième forme, celle que nous appellerons des «formules simplifiées», est celle que nous recommandons pour les calculs techniques courants. Ces formules sont présentées au paragraphe 1.5, les calculs pouvant avoir lieu dans les deux sens : température / pression.

Sur le plan pratique
Pour évaluer correctement les propriétés de l'eau il est nécessaire de fixer l'état : solide (glace),
liquide (eau) ou gazeux (vapeur d'eau). Pour ce faire il faut disposer, selon le problème à résoudre : . soit de la pression de vapeur saturante à chaque température,
. soit de la température de condensation en fonction de la pression.

Dans tous les cas choisissez l'une des méthodes suivantes, si vous n'utilisez pas les tables précédentes :
• Adoptez (solution recommandée) les formules simplifiées indiquées ci-après (§ 1.5),
• Ou adoptez les formules «de référence» fournies au paragraphe 1.6.


1.5. LA SATURATION : LES FORMULES SIMPLIFIÉES

A partir de la température
Si vous connaissez la température et souhaitez calculer la pression de vapeur saturante utilisez les formules de l'encadré 1.C ci-dessous.

A partir de la pression Si vous connaissez la pression et souhaitez calculer la température de vapeur saturante utilisez les formules de l'encadré 1.D ci-dessous.

1.6. LA SATURATION : LES FORMULES DE RÉFÉRENCE

Les propriétés de l'eau et de la vapeur d'eau sont souvent présentées sous la forme de tables de l'eau et de la vapeur d'eau. Elles varient légèrement selon les auteurs et les institutions. Nous avons choisi celles proposées par E.W. Hyland et A. Wexler en 1989 (encadré 1.E). Il se peut que vous constatiez de légères divergences entre différentes tables. Par exemple, à 100 °C, la pression de saturation que nous avons adoptée est de 101419 [Pa], alors que les utilisateurs de manuels européens (tables d'origine allemande) adoptent souvent 101330 [Pa], une valeur différente de 9 dix-millièmes de la nôtre.

2.1. LES PROPRIÉTÉS FOURNIES DANS CE CHAPITRE

Les trois propriétés retenues par la suite sont les suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer vous trouverez aux paragraphes suivants :
. au paragraphe 2.2 les propriétés de la glace,
. au paragraphe 2.3 les propriétés de l'eau froide ou glacée,
. au paragraphe 2.4 les propriétés de l'eau chaude,
. au paragraphe 2.5 les propriétés de l'eau surchauffée.


2.2. LES PROPRIÉTÉS DE LA GLACE

Aux températures négatives les propriétés retenues sont les suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer vous pouvez utiliser les formules indiquées à l'encadré 2.A ci-dessous.

2.3. LES PROPRIÉTÉS DE L'EAU FROIDE OU GLACÉE

Les trois propriétés retenues par la suite sont les suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer vous pouvez utiliser les formules indiquées à l'encadré 2.B

2.4. LES PROPRIÉTÉS DE L'EAU CHAUDE

Les propriétés retenues sont les suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer vous pouvez utiliser les formules indiquées à l'encadré 2.C ci-dessous.

2.5. LES PROPRIÉTÉS DE L'EAU SURCHAUFFÉE

Les propriétés retenues sont les suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer vous pouvez utiliser les formules indiquées à l'encadré 2.D

3.1. LE CLASSEMENT DE LA VAPEUR D'EAU

La plupart du temps la vapeur d'eau était utilisée dans les applications thermiques, mais son importance s'est beaucoup réduite. Les concepts qui y sont adoptés sont les suivants.

Les pressions
Les pressions y sont normalement exprimées en pression effective, cette pression étant exprimée :
. en France en bar [bar] (1 bar = 100 000 [Pa],
. dans certains pays en mégapascal [MPa].
Le classement réglementaire On distingue deux catégories d'installations, selon la pression effective maximale : . celles dites à «vapeur basse pression» lorsque le pression effective ne dépasse pas 0,5 [bar], limite conventionnelle qui a pu être différente dans le passé, et qui peut être différente dans certains pays,
. Celles dites à «vapeur haute pression» lorsque la pression effective maximale dépasse 0,5 [bar].

Le sous-classement de la basse pression
On distinguait;, ily a plusieurs décennies, deux catégories d'installations utilisant la vapeur basse pression :
. les plus courantes, dites «à vapeur basse pression» utilisant des températures de 105 à 120 [°C],
. les plus spécifiques dites «sous vide», utilisant des pressions (absolues) de vapeur inférieure à la pression atmosphérique (températures de 80 à 95 °C).

Les applications actuelles
La vapeur basse pression, tous systèmes confondus, jadis utilisée pour des applications d'importance modérée, n'est plus guère utilisée en Europe. Cette disparition est encore plus nette pour les installations dites «sous vide» que pour les autres.
La vapeur haute pression, surtout utilisée pour les applications professionnelles ou de chauffage à distance, est de plus en plus souvent remplacée par l'eau surchauffée (voir chapitre 2).


3.2. LES PROPRIÉTÉS DE LA VAPEUR D'EAU

Aux températures de 80 à 200 [°C]. les propriétés retenues ici sont :
• d'abord (§ 3.3) l'ensemble :
. pression de vapeur saturante en fonction de la température,
. température de condensation en fonction de la pression de vapeur.
• ensuite les propriétés suivantes (§ 3.4) :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

La différence essentielle avec les indications du chapitre précédent tient à ce que, dans ce chapitre 3, nous examinons les valeurs dans le domaine 80-200 [°C].


3.3. LA SATURATION DE LA VAPEUR D'EAU

La pression de vapeur saturante
La pression de vapeur saturante, en fonction de la température, peut être évaluée comme suit. Vous pouvez utiliser :
1. Ou bien la table 2.I fournie au paragraphe 1.4 ;
2. Ou bien les formules indiquées ci-dessous à l'encadré 3.A ci-dessous.

La température de condensation
La température de condensation, fonction de la pression de vapeur, peut être évaluée grâce aux formules indiquées à l'encadré 3.A ci-dessous.

3.4. LES AUTRES PROPRIÉTÉS DE LA VAPEUR D'EAU

Il s'agit des propriétés suivantes :
. le volume massique [m3/kg]
. la masse volumique [kg/m3]
. l'enthalpie massique [J/kg].

Pour les évaluer ces propriétés vous pouvez utiliser les formules indiquées à l'encadré 3.B.

Remarque importantes
Les formules indiquées aux encadrés précédents prennent en compte les caractéristiques «précises» de la vapeur (pression et température). Il est souvent inutile, ou disproportionné, de tenir compte de ces nuances : il suffit, au plan pratique, d'utiliser les valeurs simplifiées du paragraphe suivant. (§ 3.5).

3.5. APPLICATIONS THERMIQUES DE LA VAPEUR D'EAU

Les deux cadres principaux d'application
La plupart des applications énergétiques de la vapeur d'eau opèrent dans l'un des deux cadres suivants.

1. Ou bien on utilise la vapeur comme fluide gazeux (turbines) : dans ce cas les propriétés classiques du gaz suffisent généralement : voir plus loin.

2. Ou bien on utilise la vapeur comme intermédiaire thermique, en provoquant (généralement au niveau des échangeurs) la condensation du fluide. Pour cette dernière application on peut utiliser les formules développées de la vapeur (formules précédentes adaptées), soit des formules «accélérées» présentées plus loin.

Vous pouvez, dans tous les cas, utiliser les formules indiquées à l'encadré 3.C (ci-dessous).

Utilisation de la méthode simplifiée
La méthode simplifiée repose sur deux formules simples (encadré 3.D ci-dessous) fournissant, en fonction de la température :
. la capacité thermique [J/kg K] de la vapeur d'eau,
. l'enthalpie massique [K/kg] de condensation qui correspond à la saturation de la vapeur en cause.

3.6. LA COMPRESSIBILITÉ DE LA VAPEUR D'EAU

La vapeur d'eau ne se comporte pas comme un gaz parfait et, dans le cas général, suit la loi :
p V* = 461,520 χ (θ +273,15)
. p [Pa] étant la pression de vapeur,
. V* son volume massique [m3/kg],
. θ sa température [°C],
. χ (chi) la compressibilité [sans dimension].

La vapeur d'eau ne fonctionnant pas comme un gaz parfait la valeur de la compressibilité χ est inférieure à 1, ainsi que l'indique le schéma ci-dessous.

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