8/13/2019 Chapitre 1_Turbine vapeur
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Cours : Technologies du cycleCours : Technologies du cycleCours : Technologies du cycleCours : Technologies du cycle
combincombincombincombin
2222memememe anne Gnie Ecoanne Gnie Ecoanne Gnie Ecoanne Gnie Eco ---- Energtique etEnergtique etEnergtique etEnergtique et
Environnement IndustrielEnvironnement IndustrielEnvironnement IndustrielEnvironnement Industriel
AnneAnneAnneAnne 2013201320132013----2014201420142014
Pr. Ahmed Khouya
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Objectifs
Analyser les cycles de puissance vapeur
tudier diverses modifications au cycle de Rankine en vue
daccroitre son rendement thermique
rgnration
Etudier la cognration
tudier le cycle combin gaz-vapeur deau
tudier le cycle binaire
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Le cycle de Carnot vapeur
e cycle de !arnot" on la vu" est le cycle thermique le plus efficacequi peut #tre ralis laide de deu$ rservoirs thermique donns %
volution '-( % chauffage rversible etisotherme
Evolution (-) % dtente isentropique dans la
turbine
Evolution ) -* % volution rversible et
isotherme dans le condenseur Evolution *-' % compression isentropique
dans le compresseur
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Le cycle de Carnot vapeur
+un point de vue pratique" trois obstaclesse dressent devant lecycle de !arnot vapeur %1. ,aintenir le transfert de chaleur dans le rgime dcoulementdiphasique fi$e une limite la temprature ma$imale laquelle
lvaporation peut se produire lvolution '-( et )-*.
2. +ans les centrales thermique le titre du mlange liquide vapeur
3.volution *-' est difficilement ralisables pour deu$ raisons %
2l nest pas facile de contr3ler le phnom4ne de condensation defa5on produireun mlange liquide vapeurdont le titre est celui qui estrecherch ltat * 2l nest tout simplement pas pratique deconcevoir un compresseur
qui peut comprimer un mlange diphasique6
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Le cycle de Carnot vapeur
Afin dliminer certains de ces inconvnients" on pourrait
tou7ours recourir au cycle de !arnot pour la vapeur deau de la
figure b.6 8outefois dautres probl4me lis la compression haute pression et la transmission de chaleur pression variables
6
!onclusion propos du cycle de !arnot %
e cycle de !arnot ne peut #tre retenu
comme cycle de puissance vapeur idal6
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Le cycle de Ranine id!al
e cycle idal correspondant une centrale thermique lmentaire
vapeur deau est le cycle de Rankine6 Elles se composent de * volutions%
'-(. la compression isentropique dans la pompe
(-). lapport de chaleur pression constante dans la chaudi4re
)-*. la dtente isentropique dans la turbine
*-'. lvacuation de chaleur pressionconstante dans le condenseur
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Le bilan !ner"!ti#ue du cycle de Ranine id!al
a pompe" la chaudi4re" la turbine et le condenseur" sont des
machines thermiques qui fonctionnent avec coulement enrgime permanant
a variation des ner ies cinti ue et otentielle sont
ngligeables
e travail nintervient pas dans la chaudi4re et le condenseur
es volutions au sein de la pompe et de la turbine sontisentropiques6
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Le bilan !ner"!ti#ue du cycle de Ranine id!al
12,hh
inpompeW =
)12
(,
PPvinpompe
W =
9ompe q: 0. %
ou encore %
avec %1
,1vv
1,1 pf
vetpf
hh ==
!haudi4re ;: 0. % 23 hhinq =
8urbine q: 0. % 43,hh
outturbW =
!ondenseur ;: 0. %
14 hhoutq =
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Le rende$ent ther$i#ue du cycle de Ranine id!al
inq
outq
inq
netw
th == 1
e rendement thermique du cycle de Rankine idal est
ou %
inpompewoutturbwoutqinqnetw ,, ==
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%pplication 1 :!" et elle est condenss dans le
condenseur ?= k9a6 +terminer le rendement thermique du cycle6
Le rende$ent ther$i#ue du cycle de Ranine id!al
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L&!cart entre le cycle vapeur id!al et le cycle r!el
cart entre le cycle de Rankine idal et le cycle vapeur relest montr la figure ci-dessous6 !et cart est d@ au$ irrversibilits6
a. Ecart entre le cycle vapeur rel et le cycle de Rankine idalb.Effet des irrversibilits dans la turbine et la pompe sur le cycle de
Rankine
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L&!cart entre le cycle vapeur id!al et le cycle r!el
es sources dirrversibilits sont%
oe frottement
oa perte de chaleur de la vapeur au profit du milieu e$trieur
oa pompe rel consomme plus de travail que la pompe rversible
oa turbine rel produit moins de travail que la turbine rversibleonergie consomm par quipements au$iliaires
oe fuite de vapeur et les infiltrationsoa cavitation
8outes les irrversibilits contribuent rduire le rendement
thermique du cycle
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L&!cart entre le cycle vapeur id!al et le cycle r!el
cart entre la machine rel et la machine rversible est pris encompte laide du rendement isentropique dfini%
12
12h
ah
hsh
awsw
p
==9our la pompe %
9our la turbine %s
hh
ahh
sw
aw
turb43
43
==
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L&!cart entre le cycle vapeur id!al et le cycle r!el
%pplication 2 :
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Co$$ent peut on accroitre le rende$ent
ther$i#ue du cycle de Ranine '
es centrales thermiques et nuclaire constituent le principale
moyen de production de llectricit dans le mode 6
Accroitre le rendement du cycle de puissance rduit la
consommation de combustible et la pollution de l environnement
9our y arriver il faut %Augmenter la temprature laquelle la chaleur est fournie a leau
au sein de la chaudi4re
+iminuer la temprature laquelle la chaleur est vacu par leau
dans le condenseur6
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(i$inuer la pression dans le condenseur
Rduire la pression dans le condenseur abaisse
automatiquement la temprature de la vapeur
a pression dans les condenseur des centrales thermiques est
habituellement inferieur 9atm6
a ression dans les condenseur des
centrales thermiques ne peut #tre inferieur
la pression de saturation
Cne pression plus bas dans lecondenseur favorise le risque des
infiltration et lrosion des aubages
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Chauffer la vapeur haute te$p!rature
a temprature laquelle la chaleur est transmise la vapeur
peut #tre augmente sans accroitre la pression dans la chaudi4re6 2l
suffit de chauffer la vapeur haute temprature6
effet de la surchauffe rduit la teneur en eau la sortie de la
turbine $ D $
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%u"$enter la pression dans la chaudi)re
En augmentant la pression dans la chaudi4re" on accroitautomatiquement la temprature dbullition de leau6
Au fil des annes" la pression dans les chaudi4re na cessdaugmenter6 Elle est passe denviron ("?,pa en '/(( )0,paau7ourdhui pour produire des puissance dpassant les '000,6
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!ertain centrales thermiques fonctionnent des pression
suprieurs la pression critique 9 F((,9a.6 eur rendement atteint
*0169our des raison de scurit" le rendement des centrales nuclaire
%u"$enter la pression dans la chaudi)re
!ycle de Rankine supercritique
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Application ) % Effet de la pression et de la temprature de la chaudi4resur le rendement thermique6
!" et elleest condense dans le condenseur '0 k9a6 +terminer le rendement
du cycle GthH b. dterminer Gthsi la vapeur est surchauffe I00!
aulieu de )=0!H c. dterminer Gth si la pression dans la chaudi4re estaccrue '= ,pa et que 8vapeur: I00 !6
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Le cycle resurchauffe
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Le cycle resurchauffe
+ans la section prcdente" nous avons vu que % Augmenter la
pression dans la chaudi4re accroit le rendement du cycle mais il ya la
formation de la teneur eau dans la section basse pression de la turbine6
*uestion :peut J on alors tirer avantage de laccroissement de Gthpardes pression plus leves tout en vitant la teneur en eau K
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Le cycle resurchauffe
+eu$ solutions sont envisages %
1.
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Le cycle resurchauffe
e cycle resurchauffe consiste dtendre la vapeur en deu$ tages %o +ans ltage M9" la vapeur subie une dtente isentropique dans laturbine 7usqu une pression intermdiaire"o elle est alors dirige vers la chaudi4re ou elle subit une resurchauffe pression constant "o elle est ensuite retourne dans ltage L9" ou elle se dtend de fa5onisentropique 7usquN la pression du condenseur6
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Le cycle resurchauffe
a chaleur totale fournie la vapeur est %
resurchq
primaireq
inq +=
a travail produit par la turbine est %
)65
()43
(,,,
hhhhIIturb
wIturb
woutturb
w +=+=
a resurchauffe permet dans les grandes centrales thermiques"daugmenter le rendement du cycle de * =1H
9our augmenter la temprature moyenne de la resurchauffe" onaugmente le nombre dtage de dtente6
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Le cycle resurchauffe
O mesure que le nombre dtage grandit" lvolution tend vers
une volution isotherme voir figure.H
9ratiquement on recourt +eu$ ou trois tages de dtente H
En gnral" les temprature de resurchauffe sont peu prs gale
la temprature dadmission dans le premi4re tageH
a pression intermdiaire est peu prs le quart de la pression
dans la chaudi4re6
L l h ff
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Le cycle resurchauffe
%pplication + :
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Le cycle r!"!n!ration
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Le cycle r!"!n!ration
e$amen du diagramme 8-s du cycle Rankine idal rv4le quelachaleur est transmise au caloporteur basse temprature durant
lvolution (-(6 !ala rduit la temprature moyenne pendantladdition de chaleur et donc le rendement thermique du cycle
*uestion : peut on re$!dier cette situation '
temprature du liquide sortant la pompe"appel leau d&ali$entation" avant deladmettre dans la chaudi4re6 !ette fa5on defaire est appele la r!"!n!ration6
Qn distinguedeu$ types de rchauffeur%
Rchauffeur mlange
Rchauffeur surface
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Le cycle r!"!n!ration : r!chauffeur $!lan"e
e rchauffeur mlange est essentiellement une chambre mlangeHa vapeur soutire de la turbine est mlang leau dalimentationsortant de la pompeH
e mlange sort du rchauffeur sous forme de liquide satur lapression du rchauffeur6
M % feed;ater heater : rchauffeur mlange
L l ! ! ! i ! h ff !l
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Le cycle r!"!n!ration : r!chauffeur $!lan"e,ilan !ner"!ti#ue :
45hh
inq =
)17
)(1( hhyout
q =
)76
)(1()65
(,
hhyhhoutturb
W +=
=
o!haleur totale %
o!haleur sortante %
o8ravail produit %
n,n,, pomppompinpomp
oraction de vapeur soutire%
5
6
.
.
m
my =
)34
(3inII,
)12
(1inI,
PPvpompw
PPvpomp
w
=
=
rava consomm %
L l ! ! ! i ! h ff !l
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Le cycle r!"!n!ration : r!chauffeur $!lan"e
%pplication - :
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Le cycle r!"!n!ration : r!chauffeur surface
e rchauffeur surface est un changeur de chaleur
+ans le rchauffeur surface la vapeur soutire de la turbine nest
pas mlange leau dalimentation
es coulements se trouvent des pressions diffrentes
L l ! ! ! ti ! h ff f
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Le cycle r!"!n!ration : r!chauffeur surface
a vapeur condense" soit pompe dans le conduit de leau
dalimentation"soit dirig vers un autre rchauffeur"soit admise dans lecondenseur" apr4s avoir traversun purgeur de vapeurqui rduit sapression
8rap % purgeur de vapeur
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%pplication : Le cycle resurchauffe et r!"!n!ration id!al
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/ch!$a et le dia"ra$$e T 0s de l&application n
+terminer les fractions de vapeur soutire de la turbine ainsi
que le rendement du cycle6
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Le cycle de co"!n!ration
Le cycle de co"!n!ration
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Le cycle de co"!n!rationSombreu$ syst4mes et dispositifs utilisent la chaleur sans la
transformer en une autre forme dnergie % industrie chimique a ptrochimie a mtallurgie
agroalimentaire e te$tile" etc"T
P9a et entre '=0 >! et (00 >!H
!ette industrie est aussi une grande consommatrice dlectricit H
a cognration est laction de produire" partir dune m#me source
dnergie" de llectricit et de la chaleur utile H
e cycle de cognration peuvent fonctionner selon le cycle de
Rankine et de Lrayton6
Le cycle de co"!n!ration id!al
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Le cycle de co"!n!ration id!al
e schma dune centrale thermique de cognration idal est la
figure de droite6a principale caractristique est cette installation est labsence ducondenseurH
e condenseur est remplac par un changeur de chaleurindustrielleH8oute lnergie gagne par la vapeur qui traverse la chaudi4re est
9rocd simple de production de lachaleur industrielle 2nstallation de cognration idal
6
Le cycle de co"!n!ration id!al
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Le cycle de co"!n!ration id!al
efficacit de linstallation de cognration est dfini comme %
PQnetW
....
........ +==
in
efficacit de linstallation de cognration idal est videmment'001
+ans les centrales relles" cette efficacit peut atteindre 016
nstallation de co"!n!ration r!el
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nstallation de co"!n!ration r!el
a centrale thermique de cognration idal montr prcdemmentnest cependant pas pratique"car elle ne peut rponde la demande
fluctuant dlectricit et de chaleur6 Sous prsentons ci-dessous unschma raliste dune centrale de cognration6
Aufonctionnement normalune partie de la vapeur est soutire dela turbine une pression fi$e et le reste est dirig vers le condenseurH
orsquela demande de chaleur estimportant toute la chaleur estdtourne vers lchangeur industrielle
orsquNil ya pas de demande dechaleur la vapeur se dtendcompl4tement dans la turbine6
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% li i l d i id l
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%pplication :e cycle de cognration idal!6 Cne partie de la vapeur estsoutire de la turbine =00 P9a pour alimenter un procd industriel6 ereste de la vapeur poursuit la dtente dans la turbine 7usqu = P9a6 a vapeurest condens pression constante" puis elle est pompe la pression de la
chaudi4re" soit ? ,9a6 orsque la demande en chaleur industrielle est grande"une partie de la vapeur qui sort de la chaudi4re est dtourne vers lchangeurde chaleur industrielle en traversant un dtendeur6 es fractions de vapeursoutire sont rgles de fa5ons que la apeur deau sortant de lchangeur dechaleur industrielle soit sous forme de liquide satur =00 P9a6 !e liquide estensuite pomp dans la chaudi4re ? ,9a6
e dbit massique de vapeur deau dans la chaudi4re est de '= kgBs6 es pertes
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q p gB pde chaleur et les chutes de pression dans les conduits et les composants du cycle
sont ngligeables6 +terminez %a. a puissance thermique industrielle ma$imale6b. a puissance mcanique produite et lefficacit de linstallation de
cognration lorsquil ny a pas de chaleur industrielle produite6
c. a puissance thermique industrielle lorsque '01 de la vapeur qui sort de lachaudi4re est dtourne vers lchangeur et que ?01 de la vapeur estsoutire de la turbine =00 P9a pour alimenter lchangeur6
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