Synthèses n° 2015/261 - Agreste

TURBINES A VAPEUR
TAV
(cycles moteurs)
Généralités
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Utilisation
– Production d’électricité
– Propulsion des navires et sous-marins
Puissance
Cycle à vapeur de puissance importante : 50 à 1300 MW
(/ Turbines à gaz : 100 kW à 100 MW )
Fluide utilisé:
eau ou plus rarement ammoniaque pour de faibles puissance
La puissance thermique au GV provient de :
– Réactions nucléaires (eau pressurisée ou eau bouillante)
– Combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz,…)
– Sources chaudes (géothermie)
Avantages
– Rendement > rendements cycles à gaz > 45%
– Compression par des pompes de faibles puissances •
Inconvénients
– Flexibilité : mise en route > 12 heures
•
– Grosses installations
– Problème de sécurité (Centrales nucléaires)
•
TAG
Utilisation : véhicules terrestre (Blindés),
maritime (navires) et aérien (avions,
hélicoptères)
Plus souple que TAV et de mise en route
rapide ( 20 mn)
Rendement assez faible
Centrale thermique
Centrale nucléaire
Cycle de base d’une TAV
Cycle de Carnot à vapeur
isobare
isobare
Puissance de la pompe = 15 à 20% de la puissance de la turbine
à minimiser => déplacer 1 en phase liquide
Puissance de la Turbine à augmenter => déplacer 3 en vapeur sèche
2
GV +
Surchauffeur
Turbine
Cycle de Rankine-Hirn
3
1
Condenseur
4
Pompe
Bouilleur
Condenseur
Cycle :
TAV caractérisée par : P3 pression au GV (source chaude, ~100 à 300 b)
et T1 au condenseur (source froide, ~40°C)
Tébul 2
Péchap 4
1er ppe, Gibbs, Jouguet
Rendement thermodynamique du cycle
Irréversibilités dans le cycle de Rankine-Hirn :
Diagramme entropique du cycle idéal
(sans perte de charges (δψ = 0)
compressions & détentes isentropiques)
Exemple de diagramme entropique du
cycle réel (δψ > 0)
(ex. avec 4 en phase vapeur sèche)
Cycle avec échappement de turbine en phase vapeur humide
2r
GV +
Surchauffeur
3
P1
1
Condenseur
4’
2r
5
4
4’
Rendement isentropiques des machines :
Rendement thermodynamique du cycle :
Comme (h3-h4)>>(h2-h1) ce sont surtout les irréversibilités dans la turbine qui font chuter le rendement du cycle
Question pratique :
Quelle influence des choix de P2=P3 au GV et de T3 en entrée de Turbine (surchauffe) ?
Raisonnons sur le cycle idéal
Diagramme de Mollier *
* sous courbe
de saturat° :
P2=P3
3
3b
T3
3c
3a
P1
2’’
4
4c
2, 2’
1
θ4
θ3
H
Ha
3
1
4
4b
4a
Hc
2
Hb
à P2=P3 fixée au GV, une augmentation de la surchauffe (T3 –T2’’) => une augmentation de ηth
(démonstration : 3 et 3a)
à T3 fixé, une augmentation de P3 => d’abord une augmentation de ηth puis une diminution de ηth (?)
(démonstration : 3b, 3 et 3c (?))
Question pratique : Quelle influence du choix du fluide (LLV, Cliq, Cp vap) ?
Raisonnons sur un cycle schématisé par des segments de droites
+ hyp : Cliq et Cp vap sont ~ cstes
3
T2’
T1
2’
a
2’’
f
4
2
3
1
4
1
où :
f° croissante de DT
On pose :
Or :
De façon générale :
•
Cas à faible surchauffe (récupération d’énergie à basse température) :
Fluide optimal : celui qui a la valeur la plus grande de
•
Cas à forte surchauffe :
Fluide optimal : celui qui a la valeur la plus petite de
•
Exercice : Turbine à eau ou à ammoniac ?
Améliorations du cycle d’une TAV
Puissance utile nette = aire à l’intérieur du cycle
⇒ Méthodes pour augmenter la puissance utile nette (et le rendement thermo) :
-
(ci-dessous tous les points du cycle sauf ceux mentionnés peuvent rester fixes)
baisser T1 au condenseur (et donc P1) en lien avec la température de la source froide (1 et 4 descendent),
Faire une resurchauffe durant la détente en fractionnant la turbine en étage HP & BP (4 se déplace à droite)
Augmenter P2 au GV (3 se déplace à gauche) et faire une resurchauffe pour revenir en 4
Mettre en place des soutirages (le débit total ne parcourt pas tout le cycle)
-
baisser T1 au condenseur (et donc P1) en lien
avec la température de la source froide
-
Faire une resurchauffe durant la détente en
fractionnant la turbine en étage HP & BP
-
Augmenter P2 au GV et faire une
resurchauffe pour revenir en 4
-
Technique des soutirages : cf + loin
Améliorations du cycle d’une TAV
(1) Cycles à resurchauffe
3
2
4
5
1
6
Représentation d’un cycle idéal (ψ = 0)
•
Le point 6 peut être en vapeur sèche ou sous la courbe de saturation !
•
En pratique : une ou deux surchauffes au max
cf vvap important => tuyauterie de retour au GV de gd diamètre => fuites thermiques
Améliorations du cycle d’une TAV
(2) Cycles à soutirage
4’
Cycle avec soutirage de vapeur et mélangeur
Où y est la fraction massique de vapeur soutirée :
Le point 6 peut être en vapeur sèche ou en
vapeur humide !
Principe :
On veut éviter d’apporter de la chaleur à basse température depuis l’extérieur (entre 2 et 3) =>
On prélève une partie de la vapeur lors de la détente et on la mélange ou on la met au contact avec le liquide en 3.
Cette vapeur soutirée cède sa chaleur latente en se condensant et réchauffe ainsi le liquide (bilan (2, 6, 3))
NB : On peut utiliser un mélangeur ou un contacteur.
5
4’
4
3
6
2
1
7
On peut calculer le soutirage (y) pour que la vapeur 6 serve à amener le liquide 2 en 3 à saturation.
1er principe pour le mélangeur (6, 2, 3) :
Modèles :
Vapeur humide :
Liquide :
Le rendement théorique du cycle s’écrit :
Problèmes liés au condenseur dans le
cycle d’une TAV
-
T° source froide => Température usuelle du condenseur ~ 40°C => fonctionnement en dépression !
(Pvs(40°C)=74 mbar) => entrées d’air possibles au niveau de l’étanchéité de l’arbre de la turbine
⇒ L’air non condensable perturbe le fonctionnement du condenseur car il modifie l’équilibre entre
phases liquide – vapeur ( passage du corps pur à un système binaire)
⇒ En sortie du condenseur il y a de la vapeur d’eau résiduelle et de l’air. Il faut les éliminer en utilisant
une trompe à vide et compenser la perte de masse d’eau.
E
Vapeur en sortie de turbine
air
air
Gaz = air+vapeur d’eau
trompe à vide
Eau
S
Liquide
Débit masse de vapeur :
m& V = χ v m&
; χ v : titre de vapeur
Débit masse d’eau liquide :
m& L = (1 − χ v )m& ; m& = Cte
Débit masse d’air (faible) :
m& a = χ a m& = Cte
Débit masse total :
m& L + m& V = m&
Dans le condenseur
Entrée
Sortie
m& V = χ v m&
m& = Cte
diminue localement.
m& VE = χVE m& & m& LE = (1 − χVE ) m&
En absence d’air :
m& VS = 0 & m& LS = m&
En présence d’air , la condition d’équilibre pour de l’air incondensable est :
m& v
ϕ
=
où :
v
Mw
p(v ) = ϕ v p = pvs T
m& a + m& v
Ma
( )
P=Cte si on néglige la pdc
Dans le condenseur
m& V = χ v m&
diminue.
=>
m& a = χ a m& = Cte
Donc si
ϕv
ϕv
diminue
diminue alors T diminue
On ne peut plus garder une température constante, T diminue mais est limitée par Trefroid
(La température minimale dans le condenseur TS est
liée à l’efficacité de l’échangeur et à la température
de l’eau de refroidissement Trefr )
T
Sans entrée d’air
Avec entrée d’air
S
E
Tcond
Et le titre de la vapeur d’eau en
sortie n’est donc plus nul.
Trefr
S
s

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