Ébullition : définition et principe

Ce que mesure l'ébullition : les valeurs de référence de l'eau

Un liquide bout quand sa pression de vapeur saturante rattrape la pression qui règne au-dessus de lui. Ce n'est donc pas une température qui déclenche l'ébullition, c'est un équilibre de pressions. La température de 100 °C que tout le monde retient n'a de sens que sous 101 325 Pa, au niveau de la mer. Changez la pression, la température de changement d'état suit immédiatement.

La chaleur latente est le chiffre à retenir côté procédé. Porter un kilogramme d'eau de 20 à 100 °C demande environ 335 kJ. Le vaporiser ensuite en demande près de sept fois plus. Tout le dimensionnement énergétique d'un évaporateur ou d'une chaudière se joue là.

Ébullition, évaporation, vaporisation : trois mots pour deux phénomènes

La confusion est fréquente, et elle a des conséquences pratiques. La vaporisation est le terme générique : le passage de l'état liquide à l'état vapeur, quel qu'en soit le mécanisme. L'évaporation se produit uniquement à la surface libre du liquide, à n'importe quelle température, et elle est pilotée par la différence entre la pression partielle de vapeur dans l'air et la pression de vapeur saturante. Une flaque sèche à 15 °C sans jamais bouillir.

L'ébullition, elle, est un phénomène de volume. Des bulles germent sur les parois chaudes ou sur des impuretés, croissent, se détachent et traversent le liquide. Il faut pour cela une surchauffe locale, quelques degrés au-dessus de la température de saturation, et des sites de nucléation. Un liquide parfaitement dégazé dans un récipient parfaitement lisse peut d'ailleurs dépasser 100 °C sans bouillir : c'est la surchauffe métastable, bien connue de ceux qui ont vu de l'eau exploser hors d'un four à micro-ondes.

Les quatre régimes d'ébullition, et celui qui détruit le matériel

En 1934, Shiro Nukiyama chauffe un fil de platine immergé dans de l'eau et relève le flux thermique évacué en fonction de la surchauffe de la paroi. La courbe qui porte son nom structure encore tous les calculs de transfert avec changement de phase. Elle comporte quatre domaines.

• Convection naturelle : la paroi est à peine surchauffée, aucune bulle ne se forme, la chaleur part par convection classique.
• Ébullition nucléée : les bulles apparaissent sur les sites de nucléation, brassent violemment le liquide et évacuent des flux énormes pour un écart de température modeste. C'est le régime que l'on cherche à tenir dans un générateur de vapeur.
• Ébullition de transition : les bulles deviennent si nombreuses qu'elles se rejoignent en poches de vapeur instables. Le flux évacué chute alors que la surchauffe augmente, une zone que l'on traverse sans y séjourner.
• Ébullition en film : un film de vapeur continu isole la paroi du liquide. La vapeur conduit mal la chaleur, la température de paroi s'envole.

Le passage du deuxième au quatrième régime est le point dur. Au sommet de la courbe se trouve le flux thermique critique, de l'ordre de 1 MW/m² pour de l'eau saturée sous 1 bar. Le dépasser, sur un chauffage à puissance imposée, fait basculer la paroi en régime de film : c'est la caléfaction, ou crise d'ébullition. La température du métal peut alors grimper de plusieurs centaines de degrés en quelques secondes et percer le tube. Les marges au flux critique sont pour cette raison un critère de sûreté central dans le nucléaire, et un critère de garantie dans les chaudières industrielles. Les transferts en changement de phase se traitent d'ailleurs différemment selon que l'ébullition se produit en vase ou dans un écoulement forcé.

La pression commande, la température suit

Faire varier la pression, c'est déplacer le point d'ébullition à volonté. Les procédés en tirent parti dans les deux sens.

Sous vide partiel, un liquide bout à basse température. C'est le principe des évaporateurs de l'industrie sucrière et laitière : concentrer un jus à 60 ou 70 °C préserve les arômes et les molécules thermosensibles, alors qu'un traitement à 100 °C les dégraderait. La contrepartie est un volume de vapeur beaucoup plus grand à extraire, donc des corps d'évaporateurs volumineux et des éjecteurs ou des pompes à vide à entretenir. L'agencement des évaporateurs à multiples effets consiste précisément à réutiliser la vapeur d'un effet pour chauffer le suivant, à pression décroissante.

Sous pression, c'est l'inverse. L'autoclave de stérilisation monte à 121 °C parce que la vapeur y est maintenue autour de 2 bar absolus, et ce sont ces 21 degrés supplémentaires qui détruisent les spores. Une centrale thermique va bien plus loin : porter l'eau à haute pression permet de vaporiser à 300 °C ou davantage, et c'est cette température élevée à l'entrée de la turbine qui fait le rendement du cycle. Au-delà du point critique, à 373,946 °C et 22,064 MPa, la distinction entre liquide et vapeur disparaît, la chaleur latente s'annule, et l'on parle de cycle supercritique.

À l'autre extrémité de l'échelle, l'azote bout à -196 °C et l'hélium à -269 °C sous pression atmosphérique. Le transfert de chaleur à basse température repose sur ces ébullitions cryogéniques, avec des flux critiques bien plus faibles qu'avec de l'eau.

Où l'ébullition travaille dans l'industrie

Partout où il faut déplacer beaucoup de chaleur avec un faible écart de température. Les générateurs de vapeur et les chaudières produisent l'énergie motrice et le chauffage des procédés. Les évaporateurs concentrent jus, laits et solutions salines. Les distillations séparent des mélanges en jouant sur les écarts de volatilité. Les groupes frigorifiques et les pompes à chaleur font bouillir un fluide frigorigène à basse pression dans l'évaporateur pour capter la chaleur de la source froide. Les caloducs et les plaques à changement de phase refroidissent les électroniques de puissance sans pièce mobile. Dans les milieux poreux, où le liquide et la vapeur coexistent dans un réseau de pores, les transferts de chaleur avec changement de phase obéissent à des lois encore différentes, avec des applications du séchage industriel au stockage géologique.

Un dernier point mérite l'attention des exploitants : l'entartrage. Une surface d'échange couverte de dépôts calcaires perd des sites de nucléation utiles, s'isole thermiquement et se rapproche du flux critique à puissance constante. Un tube propre bout mieux qu'un tube encrassé, ce qui n'est pas seulement une question de rendement.