Sommaire de la page
L'essentiel en 30 secondes
l'eau bout dès que Psat(T) ≥ Pambiante
- La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle un liquide bout à une température donnée.
- Elle augmente vite avec la température : 2 339 Pa à 20 °C, 101 325 Pa à 100 °C pour l'eau.
- Si la pression descend sous cette valeur, à l'aspiration d'une pompe, le liquide se vaporise : c'est la cavitation.
Les mots clés
- cavitation
- Formation puis implosion de bulles de vapeur quand la pression locale descend sous la pression de vapeur saturante.
- NPSH
- Net Positive Suction Head : marge de pression à l'aspiration d'une pompe au-dessus de la pression de vapeur saturante.
- point d'ébullition
- Température à laquelle la pression de vapeur saturante égale la pression ambiante.
- Clausius-Clapeyron
- Relation qui relie la pression de vapeur saturante à la température.
Qu'est-ce que la pression de vapeur saturante ?
La pression de vapeur saturante d'un liquide est la pression à laquelle ses phases liquide et vapeur sont en équilibre à une température donnée : c'est la pression à laquelle le liquide bout. Elle augmente rapidement avec la température. Pour l'eau, elle vaut 2 339 Pa à 20 °C et 101 325 Pa (1 atm) à 100 °C. Si la pression dans un circuit descend sous cette valeur, par exemple à l'aspiration d'une pompe, le liquide se vaporise : c'est la cavitation, que le calcul du NPSH permet d'éviter.
Formule de la pression de vapeur saturante (Clausius-Clapeyron)
- Psat : pression de vapeur saturante à la température T, dans l'unité de P0
- P0 : pression connue, par exemple 101 325 Pa, à la température d'ébullition T0 en kelvins (eau : 373,15 K)
- M : masse molaire, en kg/mol (eau : 0,018) ; Lv : chaleur latente de vaporisation, en J/kg (eau : 2,26·10⁶)
- R : constante des gaz parfaits, 8,314 J/(mol·K) ; T : température, en kelvins (°C + 273,15)
Cette formule suppose la vapeur parfaite et Lv constante : elle est précise à quelques pour cent entre 50 et 150 °C pour l'eau. Pour les calculs d'aspiration de pompe, on utilise plutôt les valeurs mesurées du tableau ci-dessous.
Table de la pression de vapeur saturante de l'eau
| Température (°C) | Psat (Pa) | Psat (bar) | Équivalent (m d'eau) |
|---|---|---|---|
| 0 | 611 | 0,0061 | 0,062 |
| 5 | 872 | 0,0087 | 0,089 |
| 10 | 1 228 | 0,0123 | 0,125 |
| 15 | 1 705 | 0,0171 | 0,174 |
| 20 | 2 339 | 0,0234 | 0,239 |
| 25 | 3 169 | 0,0317 | 0,324 |
| 30 | 4 246 | 0,0425 | 0,435 |
| 40 | 7 384 | 0,0738 | 0,759 |
| 50 | 12 350 | 0,1235 | 1,274 |
| 60 | 19 940 | 0,1994 | 2,067 |
| 70 | 31 190 | 0,3119 | 3,252 |
| 80 | 47 390 | 0,4739 | 4,971 |
| 90 | 70 140 | 0,7014 | 7,407 |
| 100 | 101 325 | 1,0133 | 10,78 |
Labo : quand l'eau bout-elle ?
Réglez la température de l'eau et la pression ambiante (altitude) : l'eau bout dès que sa pression de vapeur saturante atteint la pression ambiante.
Pression de vapeur saturante par l'équation d'Antoine. 1,01 bar correspond au niveau de la mer, 0,79 bar à 2 000 m, 0,34 bar au sommet de l'Everest.
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle un fluide passe de l'état gazeux à l'état liquide (ou de l'état liquide à gazeux) pour une température donnée.
Si la température du fluide augmente, la pression à laquelle le fluide passe de l ‘état liquide à gazeux(pression de vapeur saturante) augmente. C ‘est ainsi qu'un liquide comme l'eau peut se transformer en vapeur à pression ambiante par apport de chaleur, mais il est possible de faire cette transformation sans varier la température en abaissant la pression ambiante au-dessous de la pression de vapeur saturante.
Lorsque l'on aspire un liquide dans un conduit on crée une dépression, si cette baisse de pression fait descendre la pression du liquide au-dessous de sa pression de vapeur saturante, le liquide se met en ébullition. (Production de vapeur), en hydraulique , on appelle ce phénomène la cavitation.
La cavitation est une formation de bulles de vapeur due à une baisse de pression. En se formant ces bulles augmentent le volume de fluide présent dans la zone de basse pression ce qui à pour effet d'augmenter la pression en certains endroits ou la bulle de gaz se condense violemment en implosant. Les chocs crées par l'éclatement des bulles détruisent les parois des organes en contact avec le fluide. Une pompe qui Cavite s'use rapidement.
Calcul de la pression de vapeur saturante
Le calcul approximatif de la pression de vapeur saturante peut se faire à l'aide d'une formule issue de l'équation de Clapeyron, en prenant comme hypothèses — entre autres — que la vapeur se comporte comme un gaz parfait et que l'enthalpie de vaporisation ne varie pas avec la température dans la plage considérée.
avec :
-
T0 : température d'ébullition de la substance à une pression P0 donnée, en K
-
Psat : pression de vapeur saturante, dans la même unité que P0
-
M : masse molaire de la substance, en kg/mol
-
Lv : chaleur latente de vaporisation de la substance, en J/kg
-
R : constante des gaz parfaits, égale à 8,31447 J/K/mol
-
T : température de la vapeur, en K
Pour l'eau, par exemple :
-
M = 0,018 kg/mol
-
Lv = 2,26×106 J/kg
-
P0 = 1013 mbar
-
T0 = 373 K
Avec MECAFLUX standard
si vous choisissez comme fluide l'eau parmi les 120 fluides proposés dans l'éditeur de viscosité fluides , la pression de vapeur saturante est automatiquement donnée suivant la température entrée.
détail de la zone de paramétrage de température de l'eau, la pression de vapeur saturante approximative de l'eau s'affiche au changement de température.
Tous les fluides de l'editeur de viscosité ne sont pas renseignés avec la vapeur saturante, vous pouvez aussi vous servir de l'outil de calcul de pression de vapeur saturante:
Listes des Liquides figurant dans l'editeur de fluides Mecaflux:
Listes des gaz figurants dans l'editeur de fluides mecaflux:
Questions fréquentes
Quelle est la pression de vapeur saturante de l'eau à 20 °C ?
2 339 Pa, soit 0,023 bar ou 0,24 m de colonne d'eau. À 50 °C elle atteint 12 350 Pa, à 80 °C 47 390 Pa et à 100 °C 101 325 Pa, la pression atmosphérique normale : c'est pourquoi l'eau bout à 100 °C au niveau de la mer.
Quel est le lien entre pression de vapeur saturante et cavitation ?
Si la pression du liquide descend sous sa pression de vapeur saturante, il se vaporise localement : des bulles se forment puis implosent dans les zones de plus haute pression, ce qui érode les roues de pompe et les hélices. Le NPSH disponible d'une pompe se calcule en soustrayant Psat de la pression à l'aspiration.
Pourquoi l'eau bout-elle à plus basse température en altitude ?
Parce que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude : à 3 000 m elle vaut environ 70 000 Pa, pression de vapeur saturante de l'eau à 90 °C. L'ébullition se produit dès que Psat atteint la pression ambiante.
Comment vérifier le risque de cavitation de ma pompe à partir de la pression de vapeur ?
Dans Mecaflux Standard, l'éditeur de fluides donne la pression de vapeur saturante du liquide à la température de votre installation, et l'onglet pompes la soustrait à la pression d'aspiration pour calculer le NPSH disponible et afficher l'alerte de cavitation ; vous voyez immédiatement l'effet d'une hausse de température ou d'une hauteur d'aspiration trop grande. Pour une pompe qui cavite ou une installation à chaud à concevoir, Mecaflux réalise l'étude de votre projet, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à votre propre installation.