Telechargé par Amine Elkari

Cours Thermodynamique industrielle Turbines

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FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE THERMIQUE
Centrales avec turbines à vapeur
La source chaude chauffe (directement ou indirectement) de l'eau qui passe
de l'état liquide à l'état vapeur, la vapeur ainsi produite est admise dans une
turbine à vapeur où sa détente provoque la rotation des roues de la turbine,
accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique de la turbine en
énergie électrique.
A la sortie de la turbine, la vapeur est condensée dans un condenseur
alimenté par une source froide (eau de mer, eau de rivière…), elle se retrouve à
l'état liquide et ce condensat est renvoyé dans le système d'alimentation en eau
pour un nouveau cycle de vaporisation. C’est le cycle Eau-Vapeur.
La cogénération consiste à produire conjointement de l'électricité et de la
chaleur destinée à un procédé industriel ou au chauffage urbain, afin
d'améliorer le rendement global.
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PROPRIETES DES CORPS PURS – SURFACES D’ETATS
Un corps pur peut exister sous
trois phases :
solide, liquide, vapeur.
Ces phases n’existent que pour
certaines valeurs de la pression P ,
la température T et le volume V.
La représentation de ces états
s’effectue en généralisant le tracé
des isothermes, chaque isotherme
étant contenue dans un plan.
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PROPRIETES DES CORPS PURS – SURFACES D’ETATS
REPRESENTATION D’ETAT D’EQUILIBRE LIQUIDE – VAPEUR
DANS LE PLAN (P,T)
Considérons un mélange
liquide-vapeur à la température
T < TC .
Les différents états de cet
équilibre sont représentés par le
segment AB, dont la projection
dans le plan (P, T ) donne un
point : à chaque température
d’un mélange liquide-vapeur, il
ne peut correspondre qu’une
pression.
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LA VAPEUR D’EAU
La vapeur d'eau est l'état gazeux de l'eau. C'est un gaz inodore et incolore.
De manière plus générale, la vapeur humide ou vapeur saturante désigne la
vapeur en équilibre avec le liquide dans une coexistence de phase.
Courbe de point d’ébullition de vapeur d’eau
Courbe de création de la vapeur d’eau
(dont le domaine est en grisé).
température
en
Vapeur
Vapeur surchauffée
la
Combustible solde
En abscisse,
degrés Celsius.
Liquide
Pression Bar
En ordonnée (échelle logarithmique),
la pression en bars.
Point critique
Point triple
Température °C
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PRESSION DE VAPEUR SATURANTE
A une température T donnée, l’équilibre
d’un liquide et de sa vapeur n’est
possible que sous une pression P qui est
la pression de vapeur saturante. La
courbe représentant la pression de
vapeur saturante en fonction de la
température, distingue deux états du
fluide :
si P < Psat
gazeux.
le fluide est dans l’état
si P > Psat
liquide.
le fluide est dans l’état
si P = Psat le fluide est en équilibre
liquide-vapeur .
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CARACTERISTIQUES DU POINT CRITIQUE
La courbe de pression de vapeur s’arrête brusquement au point
critique C : la liquéfaction du gaz ne peut s’observer qu’au dessous
de la température critique TC .
Pour l’eau :
Point triple :
T = 273, 16 K
P = 611 Pa
Point critique : T = 647 K
P = 221. 105 Pa
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APPROXIMATION ALGEBRIQUE DE LA PRESSION DE
VAPEUR SATURANTE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE
La pression de vapeur saturante est une fonction de la température
La formule la plus simple est la formule de Duperray dont la précision varie de
1 % à 6 % entre 100 °C et 280 °C :
qui donne pS en atmosphères pour t exprimée en degrés Celsius.
1 atmosphère = 1,013 bar
Le point critique de l’eau est : 374,1 °C, 220,87 bar.
Chaleur massique à volume constant, 100 °C, 1 atm : 1 410 J/(kg K)
Vitesse du son : 401 m/s à 130 °C , celle-ci augmente très fortement avec la
température : elle est d’environ 800 m/s à 1 000 °C.
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PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU :
POINT CRITIQUE – POINT TRIPLE
Le point critique C d’un corps est le point du diagramme température-pression
où s’arrête le courbe d’équilibre liquide-gaz. Le long de cette courbe qui part
du point triple T, la différence de masse volumique entre liquide et gaz diminue
jusqu’à s’annuler au point critique. En ce point toutes les propriétés des
phases (indice de réfraction ,chaleurs massiques,etc) deviennent identiques.
Le point triple d’un corps pur est le point du diagramme de phase températurepression où peuvent coexister les trois phases liquide, solide et gaz.
Aux températures et pressions supérieurs à celles du point critique on ne peut
plus distinguer une phase lique liquide d’une phase gaz. On passe
continument des proprités d’un liqide à celles d’un gaz.
Le corps pur est alors qualifié de fluide supercritique.
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ETAT SUPERCRITIQUE
Toute élévation supplémentaire d’un des trois paramètres au-delà de sa
valeur critique (donc au-delà du point critique) conduit à l’état qualifié de
« supercritique » dans lequel le corps ne peut donc physiquement être ni
liquide ni gazeux.
C’est l’état que l’on observe dans la partie haute de ce graphique
tridimensionnel Volume/Température/Pression.
Aux températures et pressions supérieurs à celles du point critique on
ne peut plus distinguer une phase liquide d’une phase gaz.
On passe continument des proprités d’un liqide à celles d’un gaz.
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PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU :
POINT CRITIQUE – POINT TRIPLE
Courbe de point d’ébullition de vapeur d’eau
Point critique
Vapeur
Vapeur surchauffée
Combustible solde
Pression Bar
Liquide
Point triple
Température °C
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THEORIE DU PROCESS – DIAGRAMME TS POUR EAU ET VAPEUR
SCHEMA TS - EAU ET VAPEUR
TEMPERATURE
°K
Point critique
Vapeur
surchauffée
Eau
Vapeur humide
ENTROPIE (S)
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PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU :
CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION
On appelle chaleur latente de vaporisation la quantité de chaleur qu’il faut
fournir à l’unité de masse du liquide à la température T, sous la pression
d’équilibre P , pour la transformer en vapeur à la même température et sous la
même pression. La chaleur latente de vaporisation diminue lorsque la
température s’élève pour s’annuler au point critique.
La formule de Clapeyron permet de relier la chaleur latente de vaporisation a`
la pente de la courbe :
uvap :
uliq :
12
volume massique de la vapeur à la température T .
volume massique du liquide à la température T .
31/12/2016
PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU :
DEFINITION DE L’ETAT D’UN MELANGE
Soit x la proportion massique de vapeur contenue dans le mélange :
On définit le titre du mélange
La masse totale du mélange est : m = mvap + mliq
Le volume massique est :
u = x uvap + (1
13
x) uliq
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PROPRIETES VAPEUR D’EAU ET EAU LIQUIDE AUX CONDITIONS
DE SATURATION
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Température
(°C)
Pression
de vapeur
(kPa)
-15
0,191 8
0
Liquide
Vapeur
Chaleur de
vaporisation
(kJ/kg)
0,611
0,001 000 21
206,310
2 500
100
101,325
0,001 043 5
1,673
2 257
200
1 555,0
0,001 156 5
0,127 18
1 938
300
8 592
0,001 403 6
0,021 62
1 403
374
22 087
0,002 79
0,003 65
147
Volume massique (m³/kg)
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DIAGRAMME DE MOLLIER
Le diagramme de Mollier (ou diagramme enthalpique) est un diagramme relatif aux
fluides, à leur changement d'état (liquide/vapeur) et à leurs pressions/températures
d'utilisation.
L'abscisse correspond à la valeur entropique S du point, en kJ/kg*K
L'ordonnée à son enthalpie H , en kJ/kg
Il est utilisé par les chercheurs et ingénieurs dans la conception des processus et
des équipements utilisant la vapeur.
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DIAGRAMME DE MOLLIER
Il peut servir à déterminer la quantité de chaleur produite ou consommée par
une variation de température et/ou d'état d'un fluide.
Cette approche consiste à placer différents points qui correspondent à une
pression et à une température définies à l'avance.
En somme, il s'agit de faire figurer l'état initial et l'état final d'un fluide, puis de se
reporter à l'ordonnée du diagramme pour déterminer les enthalpies respectives de
chacun des points.
Nous pouvons également lire directement une variation sans avoir à recourir à
un surfaçage.
Dans le domaine liquide + gaz, nous remarquons que les lignes isothermes se
confondent avec les isobares.
Aussi, le point critique (critical point) est le point d'inflexion de la courbe
délimitant la cloche de vapeur saturée sèche.
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31/12/2016
DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU
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31/12/2016
DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU
Données :
•
•
•
•
•
•
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Entropie
Enthalpie
Pression
Temperature
Volume spécifique
Humidité
For internal use only. Copyright © Siemens AG 2013
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Energy Sector
DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU
Ligne de température
constante en C°
Le
diagramme
présente le
« contenu
d’énergie »
de vapeur à
différentes
conditions
Ligne de pression
constante en bar
Enthalpie en kJ/kg
Ligne de volume spécifique
constant in m3
Ligne de Saturation
Zone de
vapeur
Saturée (en
dessous de
la ligne de
saturation)
Ligne de contenu
vapeur constant x
For internal use
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June 2013
Ralf Heymann
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DETAILS DE CHUTE D’ENTHALPIE
Superchauffée
Surchauffée
Ligne de Saturation
Humide
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Humide
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EFFICACITE ISENTROPIQUE D’UNE TURBINE
La turbine est la pièce maîtresse de toute centrale à vapeur. Longue de plusieurs
dizaines de mètres dans les installations modernes, elle est équilibrée avec grand
soin, mise en place dans son coffrage.
Elle fait l’objet d’attention adéquate (minimisation des gradients de température,
lubrification avancée), peut délivrer de la puissance mécanique pendant plusieurs
dizaines d’années sans aucune interruption.
L’efficacité d’une turbine se mesure en comparant sa puissance avec celle d’une
turbine idéale (une turbine qui serait isentropique). On nomme le paramètre
l’efficacité isentropique T :
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Wturbine réelle = la puissance réelle fournie par la turbine.
Wturbine isentropique = la puissance d’une turbine isentropique
fonctionnant avec le même débit de masse et entre les deux
mêmes pressions.
31/12/2016
PUISSANCE EN SORTIE TURBINE
La puissance en sortie turbine (P) est influencée par :
1. Débit vapeur en kg/s ou t/h : m
2. Chute d’enthalpie spécifique : hs
3. Rendement interne :
i
ou Efficacité isentropique
4. Pertes mécaniques
P
m
hS
i
pertes
La limite de résistance du material doit être pris en considération
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31/12/2016
DETAILS DU RENDEMENT INTERNE
Rendement interne approximatif :
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Turbines à contre pression
/ Backpressure turbines :
i
Turbines à condensation
/ Condensing turbines :
i
approx. (80-
approx. (77-
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PERTES MECANIQUES
En plus des pertes interne il y a des pertes mécaniques qui influence la
puissance en sortie turbine ou une turbine.
Pertes mécaniques de la turbine elle-même causées par :
Pompes à huile à entrainement direct
Paliers
Pertes des composants à entrainement :
Réducteur / Gearbox
Générateur
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31/12/2016
TURBINE A VAPEUR
Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser l'énergie cinétique d'un
fluide liquide comme l'eau ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion), pour
faire tourner un arbre supportant les aubes de la turbine.
L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est
partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, un
compresseur, une pompe ou tout autre récepteur mécanique rotatif.
L'ensemble est alors
respectivement appelé
turbo-alternateur, turbocompresseur, turbopompe, …etc.
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31/12/2016
TURBINE A VAPEUR
Principes généraux de fonctionnement :
La turbine à vapeur est un moteur à combustion externe, fonctionnant selon le
cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le
changement d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau.
Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :
L’eau liquide est mise en pression par une pompe alimentaire et envoyée
vers la chaudière.
L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée.
La vapeur est envoyée vers la turbine, où elle se détend en fournissant de
l’énergie mécanique.
La vapeur détendue est condensée au contact d'une source froide sous vide
partiel.
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31/12/2016
CYCLE DE RANKINE
Circuit d’une centrale à vapeur fonctionnant
sur un cycle de Rankine. L’eau à la sortie du
condenseur est sous forme de liquide saturé,
elle entre dans la chaudière à plus faible
température.
Diagramme température-entropie d’une
centrale à vapeur fonctionnant sur un cycle
de Rankine
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31/12/2016
CYCLE THEORIQUE D’UNE MACHINE A VAPEUR :
CYCLE DE RANKINE
Le cycle Rankine est un modèle qui est utilisé pour prédire la performance des
systèmes turbine vapeur.
Le cycle de base d’une turbine `a vapeur (cycle théorique comportant un
changement d’état) est un cycle de Rankine qui se déroule totalement en
vapeur humide.
La chaleur est fournie de l’extérieur à une boucle fermée qui utilise habituellement
l’eau comme fluide de travail. Cette boucle est appelé le Cycle Eau-Vapeur
Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique endoréversible (càd
réversibles avec les échanges intérieurs mais pas extérieurs) qui comprend :
deux isobares (changement d’état isotherme)
deux adiabatiques.
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31/12/2016
CYCLE THEORIQUE D’UNE MACHINE A VAPEUR :
CYCLE DE RANKINE
C’est un cycle de Carnot (rectangle dans le diagramme (
aux vapeurs condensables.
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S)), appliqué
31/12/2016
CYCLE D’UNE TURBINE A VAPEUR
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31/12/2016
SCHEMA PHYSIQUE DES QUATRES PRINCIPAUX
COMPOSANTS UTILISES DANS LE CYCLE RANKINE
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31/12/2016
CYCLE DE RANKINE REEL
Diagramme entropique du cycle de Rankine avec l'eau comme fluide de travail
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31/12/2016
CYCLE DE RANKINE REEL
Phase 1-2 :
Le fluide de travail est pompé de basse à haute pression.
Comme le fluide est liquide à cet étage, la pompe requiert peu d’énergie
en entrée.
Phase 2-3 :
Le liquide haute pression entre dans une chaudière où il est chauffée à
pression contante par une source de chaleur externe pour se transformer en
une vapeur sec saturée.
L’énergie entrée requise peut être facilement calculée en utilisant un
diagramme enthalpy-entropie (h-s) ou diagramme de Mollier ou
numériquement avec des tables vapeur.
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31/12/2016
CYCLE DE RANKINE REEL
Phase 3-4 :
La vapeur sec saturée s’étend à travers une turbine, générant une puissance.
Les diminutions de température et pression de la vapeur et d’autre
condensation peuvent se produire.
La sortie dans cette phase peut être facilement calculée en utilisant les
diagramme et tables.
Phase 4-1 :
La vapeur humide entre ensuite dans un condenseur ou elle est condensée à
pression constante pour se transformer en liquide saturé.
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31/12/2016
CYCLE DE RANKINE AVEC UN SURCHAUFFEUR :
CYCLE DE HIRN
Le cycle de Hirn est un cycle de Rankine, dans lequel la vapeur sortant de la
chaudière est surchauffée à une température supérieure à la température critique.
Ce cycle présente deux avantages :
1. la surchauffe augmente
la température (l’énergie)
de la vapeur en début de
détente .
Surchauffeur
Turbine
1.la détente est effectuée
en régime sec.
Pompe
H.P.
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Condenseur
Chaudière
B.P
.
31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE
CYCLE DE HIRN
T
2’
PROCESS AVEC SURCHAUFFE
2liq.
2
TEMPERATURE °K
1liq 1
2vap.
1vap.
1’
S
Surchauffeur
Surchauffeur
Dilatation
Dilatation
réelle
Vaporisateur
Vaporisateur
idéale
Economiseur
Economiseur
ENTROPIE (S)
ENTROPIE (S)
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN : GENERATEUR DE VAPEUR
Gaz de cheminée
Production de vapeur
surchauffée :
Arrivée
d'air
Réchaufeur
d'air
TURBINE
Dans une chaudière à
tubes
d’eau,
la
tuyauterie qui prend en
charge
la
vapeur
saturée retourne dans le
foyer, les gaz chauds
apportent à cette vapeur
saturée une énergie
supplémentaire qui en
élève la température
sans en modifier la
pression. On obtient
ainsi de la vapeur
surchauffée à la sortie.
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Génératrice
vapeur
surchauffée
à haute pression
Vapeur
basse pression
eau
chaude
CONDENSEUR
vapeur
Air
Chaud
Eau de
refroidissement
surchauffeur
Pompe
Pompe
Combustible
Générateur de vapeur
CENTRALE THERMIQUE À VAPEUR D'EAU
31/12/2016
SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR
Fumées
Entrée d'air
Préchauffe de l'air
Entrée
eau
BALLON
Séparateur
gravitaire
Economiseur
Vers
turbine
Vaporiseur 1
SURCHAUFFEUR
Vaporiseur 2
FOYER
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Entrée combustible
31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE
CYCLE DE HIRN
Un process avec surchauffe a encore une autre surface dans la chaudière
pour chauffer la vapeur aux températures élevées.
La surchauffe suit la ligne 2 - 3, qui est une ligne de pression constante.
Celà a deux avantages :
Le rendement du process augmente (la température Tam augmente).
L'humidité de la vapeur va être nulle jusqu'à ce que la courbe de la
dilatation (3 - 4) dépasse la courbe en cloche. Cela signifie moins
d'humidité ce qui va entraîner moins d'érosion sur les pales de la turbine.
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31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN
Pour améliorer le rendement du cycle de
Hirn, on cherche à augmenter la pression
P2. Cette augmentation de pression risque
de déplacer la détente en milieu humide.
Afin de conserver une détente en vapeur
sèche, la détente est fractionnée, permettant
de resurchauffer la vapeur après une détente
partielle :
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE
Pour augmenter à nouveau la puissance de l’installation sans augmenter le débit
de vapeur (et donc sa taille globale et le coût de la chaudière), il est possible de
chauffer une deuxième fois la vapeur avant sa sortie de la turbine. C’est ce que
l’on appelle la resurchauffe.
Avec cette modification, la détente dans la turbine est interrompue et la vapeur est
conduite dans une nouvelle série de tubes pour porter à nouveau sa température
à haute température (usuellement aux limites métallurgiques de la turbine). La
détente est alors complétée jusqu’à la pression du condenseur.
Le rendement global de l’installation est augmenté si la température moyenne de
chauffage l’est aussi ; il faut donc choisir avec soin la pression de la resurchauffe.
La consommation spécifique, elle, est diminuée dans tous les cas, avec les
avantages décrits plus haut.
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31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN
PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE
TEMPERATURE °K
Resurchauffeur
Surchauffeur
Vaporisateur
Economiseur
ENTROPIE (S)
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE
Diagramme
température-entropie
d’une centrale à vapeur fonctionnant
sur un cycle de Rankine resurchauffé.
Circuit d’une centrale à vapeur fonctionnant
sur un cycle de Rankine resurchauffé.
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31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN – CYCLE AVEC SOUTIRAGE
Considérons un cycle de Rankine, sans surchauffe :
Au cours de ce cycle la transformation non-isotherme
(1liq , 2 , 2liq ) absorbe la quantité de chaleur
représentée par l’aire (1liq , 2 , 2liq , c , b , 1liq )
Cycle de Rankine avec soutirage
Cette quantité de chaleur peut être récupérée
en faisant subir à une partie de la vapeur issue
de la chaudière, une transformation (2vap
4),
dont le tracé est parallèle au trajet (2
2liq ).
La chaleur dégagée pendant la transformation
(2vap
4) est transférée au liquide pendant
la transformation (2
2liq ) moyennant un
échangeur interne.
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31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN – CYCLE AVEC SOUTIRAGE
Dans la pratique, on effectue plusieurs soutirages de vapeur passant dans des
réchauffeurs. Avec plusieurs réchauffeurs en cascade, on s’approche du cycle
idéal.
Turbine
Chaudière
Echangeur
Condenseur
Pompe
Cycle de Rankine avec soutirage
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE
Diagramme température-entropie d’une
centrale avec prélèvement de vapeur.
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Circuit d’une centrale à vapeur avec prélèvement de
vapeur. La vapeur extraite prématurément de la turbine
est utilisée pour réchauffer l’eau liquide pendant le
pompage.
31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PRECHAUFFAGE DE L’EAU
D’ALIMENTATION
La dernière mesure normalement faite pour augmenter le rendement
est le préchauffage de l'eau d'alimentation.
Cela est fait en prenant la chaleur (sous forme de vapeur à température
élevée) provenant du processus et de l'utiliser pour le préchauffage.
Comme cette chaleur ne provient pas d'une source étrangère, elle ne
nécessite pas de calculer la Tam (la température moyenne de la chaleur
provenant d'un processus extérieur).
La température Tam augmente ce qui a pour résultat l'accroissement du
rendement.
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE
En pratique, de nombreux prélèvements (judicieusement appelés bleeds,
ou « saignements » en anglais) sont effectués dans les circuits de centrale
à vapeur, pour contrôler les flux de chaleur.
Ils permettent accessoirement, par le biais de vannes de décharge, de
réguler précisément les débits de masse et adapter ainsi rapidement la
puissance de l’installation à la demande.
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31/12/2016
CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET
RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE
Installation à vapeur mêlant
surchauffe,
resurchauffe,
régénération, et conduits
de décharge.
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31/12/2016
THEORIE DU PROCESS – PRECHAUFFAGE DE L’EAU
D’ALIMENTATION – CYCLE DE HIRN
PROCESSUS AVEC PRECHAUFFAGE
DE L’EAU D’ALIMENTATION
TEMPERATURE °K
ENTROPIE (S)
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31/12/2016
CYCLE SUPERCRITIQUE A VAPEUR
La recherche de rendements plus élevés a conduit à utiliser des températures de
sources chaudes de plus en plus élevées. Dans le cycle supercritique, il n’y a plus de
changement de phase dans le réchauffeur : il y a contournement du point critique.
2
4 6
T
3
5
1
7
S
Cycle supercritique
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