Chapitre 1_Turbine à vapeur

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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+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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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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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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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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%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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+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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+eu$ solutions sont envisages %

1.


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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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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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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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%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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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



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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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