Cycles de production d’énergie à vapeur

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Cycles de production d’énergie à vapeur

V. Cycles de production d’énergie à vapeur:[2]

V.1 Cycle de Carnot :

Le cycle de CARNOT (Figure 1.9) est le cycle idéal suivant lequel une machine thermique motrice fonctionne en assurant le rendement thermique maximum possible.

Il est composé de deux transformations adiabatiques 1-2 et 3-4 (avec échange de travaux : une détente et une compression) et de deux transformations isothermes et isobares 4-1 et 2-3 (avec échange de chaleur Q1 et Q2)

Cycle de Carnot
Figure I.12 Cycle de Carnot

Les quatre transformations composant le cycle de Carnot sont donc:

1-2 : Détente adiabatique de la vapeur (Q1-2 = 0) avec production de travail, Wd = Wt = W1-2 = H2 – H1

2-3 : Condensation isobare et isotherme de la vapeur humide (sans production de travail W2-3 = 0) avec rejet, par le fluide moteur, de la quantité de chateur Q2 au milieu extérieur, Q2 = Q2-3 = H3 – H2

3-4 : Compression adiabatique du fluide moteur (Q3-4 = 0) avec apport de travail W3-4. Wc = Wp = W3-4 = H4 – H3

4-1 : Apport, au fluide moteur, de la quantité de chateur Q1 à température et pression constantes (sans production de travail), Q1 = Q4-1 =H1 – H4. [2]

En utilisant ces équations, on obtient le rendement thermodynamique du cycle de CARNOT :

le rendement thermodynamique du cycle de CARNOT

Le rendement thermodynamique du cycle de CARNOT a la valeur maximale possible qui puisse exister et donc le rendement thermodynamique de tout autre cycle travaillant entre les mêmes températures T1 et T2 lui sera inférieur.[2]

V.2 Cycle de Rankine :

Le cycle de Rankine (Figure 1.10) peut être considéré comme le cycle de base des turbines à vapeur.

Le cycle de Rankine ne diffère du cycle de CARNOT que par le fait que la condensation du fluide moteur est complète (jusqu’à l’état de liquide saturé avec un titre de vapeur X3=0, égal à la quantité de vapeur divisé par la quantité totale du mélange) et donc la compression est assurée par une pompe au lieu d’un compresseur, ce qui a pour effet de réduire énormément le travail de compression et d’augmenter énormément le travail disponible (utile). [2]

Cycle de RankineInstallation du cycle de Rankine
Figure I.13 (a) Cycle de Rankine (b) Installation du cycle de Rankine

La quantité de chateur Q1, fournit au fluide moteur totalement à pression constante, se compose alors d’une première quantité Q5-4 (avec augmentation de la température dans l’économiseur) pour porter celui-ci à l’état de liquide saturé (X4 =0) avec augmentation de la température suivit d’une deuxième Q4-1 pour l’évaporer à température constante (T4 = T1) jusqu’à l’état de saturation (X1=1).

Ce cycle comporte une transformation en plus (5-4) que celui de Carnot.

Le rendement thermique du cycle de Rankine est :
Le rendement thermique du cycle de Rankine

On néglige le travail de compression alors 3 et 5 sont confondus et H5 = H3. [2]

V.3 Cycle de Rankine à surchauffe (cycle de Hirn) :

Le cycle de Rankine à surchauffe ou cycle de Hirn (Figure 1.11) ne diffère du cycle de Rankine simple que par une transformation supplémentaire 6-1, pendant laquelle le fluide moteur est surchauffé à une température supérieure à celle de saturation, en lui fournissant une troisième quantité de chaleur Q6-1 dans le surchauffeur.

Ceci a pour effet d’augmenter énormément le travail de détente et donc le travail utile est d’améliorer les conditions de travail de la turbine et donc son rendement interne puisque une grande partie des étages de la turbine fonctionnent avec de la vapeur sèche.

En même temps le rendement thermique du cycle augmente.

Cycle de HirnInstallation du cycle de Hirn
Figure I.14 (a) Cycle de Hirn (b) Installation du cycle de Hirn

La quantité de chateur Q1, fournit au fluide moteur totalement à pression constante, augmentera et sera composé alors d’une première quantité Q5-4 (avec augmentation de la température dans l’économiseur) pour porter celui-ci à l’état de liquide saturé (X4=0) avec augmentation de la température suivit d’une deuxième Q4-6 pour l’évaporer à température constante (T4 = T1) jusqu’à l’état de saturation (X1=1), puis d’une troisième Q6-1 pour surchauffer la vapeur saturée jusqu’à T1 >T6 =Tsat.

Le rendement du cycle de Rankine à surchauffe est :
Le rendement du cycle de Rankine

V.4 Cycle à resurchauffe :

On peut augmenter d’avantage le rendement thermique du cycle de Rankine à surchauffe en resurchauffant (7-8) le fluide moteur dans un resurchauffeur (c. a. d. double surchauffe).

Et donc, par rapport au cycle de Rankine a surchauffe, ce cycle comprend une transformation supplémentaire (Figure 1.12) isobare 7-8 d’apport d’une quatrième quantité de chaleur Q7-8 dans le resurchauffeur et la détente se fait en deux étapes dans deux corps de turbine différents (1-7 dans la turbine haute pression THP et 8-9 dans la turbine basse pression TBP).

La resurchauffe entraine également l’augmentation du travail de détente et donc le travail utile et l’amélioration des conditions de travail des turbines et donc leur rendement interne puisque une grande partie de leurs étages fonctionnent avec de la vapeur sèche. [2]

Cycle de Rankine à resurchauffeInstallation du cycle à Resurchauffe
Figure I.15 (a) Cycle de Rankine à resurchauffe (b) Installation du cycle à Resurchauffe

V.5 Cycle à double resurchauffe :

On peut augmenter encore plus le rendement thermique du cycle de Rankine à resurchauffe par une deuxième resurchauffe (10-11) du fluide moteur dans un deuxième resurchauffeur (c’est à dire triple surchauffe) (Figure 1.13).

Et donc, par rapport au cycle de Rankine a resurchauffe, ce cycle comprend une transformation supplémentaire isobare 10-11 d’apport d’une cinquième quantité de chaleur Q10-11 dans le deuxième resurchauffeur et la détente se fait en trois étapes dans trois corps de turbine différents (1-7 dans la turbine haute pression THP, 8-10 dans la turbine moyenne pression TMP et 11-12 dans la turbine basse pression TBP.

Cette deuxième resurchauffe entraine aussi l’augmentation du travail de détente et donc le travail et la puissance utiles ainsi que le rendement interne des turbines car une plus grande partie de leurs étages fonctionnent avec de la vapeur sèche et donc dans de meilleurs conditions. [2]

Cycle à double resurchauffe
Figure I.16 (a) Cycle à double resurchauffe

installation de Rankine à double resurchauffe
Figure I.16 (b) installation de Rankine à double resurchauffe

V.6 Cycle à soutirage :

Le rendement thermique du cycle à vapeur peut être amélioré d’avantage par récupération de chaleur (ou soutirages) en soutirant une fraction de la vapeur ‘α’ qui sera utilisé pour préchauffer le liquide sortant du condenseur dans un échangeur à surface ou à mélange appelé aussi récupérateur avant de l’envoyer dans la chaudière (Figure 1.14).

Ceci permet de réduire la quantité de chaleur Q1 fournit au fluide moteur mais avec la pénalité de réduire le travail de détente produit par la turbine car la fraction de la vapeur soutirée ne subira pas la détente totale jusqu’à la pression du condenseur et réduira le débit traversant le reste de la turbine après ce soutirage. [2]

Cycle de Rankine à deux soutirages
Figure I.17 (a) Cycle de Rankine à deux soutirages

Installation du Cycle de Rankine à deux soutirag
Figure I.17 (b) Installation du Cycle de Rankine à deux soutirag

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Yahia Kriter
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