CYCLES A VAPEUR T.A.V

Conversion d´énergie Centrale thermique Chaleur Énergie Fossile Énergie Électrique

Généralités Cycle à vapeur de puissance importante de 50 à 1300 MW Fluide moteur : eau ou plus rarement ammoniaque pour de faibles puissance La puissance thermique au GV provient : Réactions nucléaires (eau pressurisée ou eau bouillante) Combustibles fossiles (pétrole,charbon, gaz,… Sources chaudes (géothermie) De l’échappement d’un cycle à gaz (cycle mixte) très intéressant pour le rendement global.

Généralités Utilisation Avantages Inconvénients Production d’électricité Propulsion des navires et sous-marins Avantages Rendement > 45% > cycles à gaz Compression par des pompes de faibles puissances Inconvénients Flexibilité : mise en route > 12 heures Grosses installations Problème de sécurité (Centrales nucléaires)

Cycle Vapeur

Centrale thermique

Centrale nucléaire

Cycle de RANKINE ou HIRN Q 4 F GV Bouilleur Surchauffeur 3 5 WT Turbine Qc Condenseur 2 m 3’ Pompe 1 WP P

CYCLE DE RANKINE (HIRN) 1 2 3 4 5 Condenseur Bouilleur Surchauffeur Turbine économiseur Pompe T s ( kJ/kg/K) CYCLE DE RANKINE (HIRN) 3’

Choix de la pression de la vapeur Entre 10 et 80 bars hv reste à peu prés constante Entre 40 et 120 bars xv reste à peu prés constante Mais trop forte pression à éviter : trop fortes contraintes mécaniques  surcoût Choix courant entre 30 et 80 bars

Générateur de Vapeur ou Chaudières

CHAUDIERES Schéma de principe d'une chaudière de production de vapeur Bâche alimentaire avec appoint d'eau traitée (décarbonatée, déminéralisée, dégazée...) Pompe alimentaire (pression de refoulement supérieure à la pression de la vapeur) Économiseurs (primaire et secondaire) permettant de refroidir les fumées en préchauffant l'eau d'alimentation Foyer avec brûleur (système de production de vapeur non représenté) Réseau vapeur avec soupapes de protection Analyseur d'oxygène sur les fumées pour réglage de l'excès d'air Cheminée pour rejet des fumées

CHAUDIERES Dans les chaudières à tubes de fumées, la flamme et les fumées qui résultent de la combustion circulent du brûleur jusqu'à la cheminée dans un faisceau de tubes immergés dans une calandre formant le réservoir d'eau. Elle produisent généralement de la vapeur saturante, directement issue de l'ébullition dans le réservoir d'eau. Transfert de chaleur Par rayonnement Puis par convection Chaudières à tubes de fumées

Chaudières à tubes de fumées

Chaudières à tubes d'eau Dans les chaudières à tubes d'eau, la combustion est réalisée dans une enceinte garnie de briques réfractaires, laquelle est tapissée de tubes d'eau. Ces tubes sont alimentés par deux ballons, l'un en partie supérieure avec régulation de niveau, l'autre en partie basse en charge. 1) L'eau liquide mise en ébullition (rayonnement) dans les tubes, circule du bas vers le haut par effet thermosiphon. 2) La vapeur produite est ensuite surchauffée par convection(surchauffeur) 3) Puis passe par les économiseurs (préchauffe de l'eau alimentaire à l'aide des fumées déjà préalablement refroidies Ce sont des chaudières pouvant atteindre de fortes pressions et de fortes puissances (100bars, 100T.h-1) La température de la flamme étant de 1500 °C il faut que dans les tubes, circule du liquide en non de la vapeur pour évacuer l’apport important de chaleur sans augmenter trop la température des tubes limitée à 650 °C (pour limiter les coûts)

Le surchauffeur (rouge), les économiseurs Schéma de principe d'une chaudière à tubes d'eau (Doc.GDF) Le conduit des fumées Les deux brûleurs (haut et bas) Les ballons d'eau (bleu) supérieur et inférieur Le surchauffeur (rouge), les économiseurs (en vert) on distingue l’arrivée d'air de combustion avec soufflante

Chaudière à tubes d'eau

Chaudière à tubes d'eau

Générateur de Vapeur Par rapport à une chaudière dans un GV : Pas d’effet radiatif Température de chauffage éloignée de la flamme Chauffage par convection uniquement Il n’est plus indispensable de placer le vaporiseur en premier

SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR BALLON Fumées Entrée combustible Vers turbine Entrée d'air Prˇchauffe de l'air Entrée d'eau Séparateur gravitaire FOYER SURCHAUFFEUR Vaporiseur 1 Economiseur Vaporiseur 2 SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR

TURBINE A VAPEUR

Divers types de turbines à vapeur Turbine à condensation HP > 40 bars BP < 0.1 bar Condenseur

Corps HP d’une turbine Alsthom de 125 MW Ailettes

Rotor MP-BP d’une turbine à resurchauffe de 125 MW à 3 000 tr/min Rotor MP-BP d’une turbine à resurchauffe de 125 MW à 3 000 tr/min. Alsthom

Divers types de turbines à vapeur Turbine à contre pression HP > 40 bars BP = 4 bars Autres utilisations

Divers types de turbines à vapeur Turbine à soutirage et condensation HP > 40 bars BP < 0.1 bar Condenseur Soutirage (s) MP = 10 bars

Divers types de turbines à vapeur Turbine à soutirage et contre pression HP > 40 bars BP = 4 bars Autres utilisations Soutirage (s) MP = 10 bars

Contraintes technologiques Résistance mécanique (150 à 300 bars) et thermique (200 à 500°C) de l’acier des tubes de la chaudière Débit volumique important (BP) (S , U >>) Pression très faible au condenseur entrée d’air Titre en fin de détente proche de 1 sinon présence de nombreuse gouttelettes Qui diminue le rendement

Améliorations Cycles à resurchauffe

Cycle à resurchauffe G V 6 5 Q W Q W R e s u r c h a u f f e u r G V 4 T u r b i n e T u r b i n e T 3 S u r c h a u f f e u r 7 B o u i l l e u r C o n d e n s e u r G V Q C 2 1 W P P o m p e

Cycle à ressurchauffe 6 7 C y c l e à r e s s u r c h a u f f e 4 3 5 T 4 6 3 5 2 7 1 s ( k J / k g / K ) C y c l e à r e s s u r c h a u f f e

Cycle vapeur à soutirage

Cycle vapeur à soutirage

Cycle vapeur à soutirage Q 4 F GV Bouilleur Surchauffeur E H W T Turbine G Soutirage s m m-m Vanne J Q C Condenseur A B C D m W P Pompe

Cycle à soutirage E D G C H Cycle à un soutirage T F E' B A s ( kJ/kg/K) Cycle à un soutirage

Condenseur Refroidissement par eau (rivière, lac,mer) Besoin de gros débit d’eau Refroidissement par tour atmosphérique Impact sur l’écosystème (eau ou air) Besoin d’extraire l’air dissous dans l’eau alimentaire. L’air non condensable finirait par bloquer le fonctionnement du condenseur

Condenseur en dépression Vapeur en sortie de turbine air air P=0,1 bar Eau de refroidissement S Sortie d’eau à l’état liquide

Notation et hypothèses Débit masse de vapeur : Débit masse d’eau liquide : Débit masse d’air (faible) : Débit masse total : Entrée Sortie En absence d’air : Dans le condenseur diminue localement.

Dans le condenseur Diminue. En présence d’air le gaz est de la vapeur humide saturée. Avec p=Cte si on néglige la pdc Donc si diminue alors T diminue On ne peut plus garder une température constante La diminution de température est limitée à la température de l’eau de refroidissement Et le titre de la vapeur d’eau n’est plus nul.

Diagramme (T, s) de l’eau Sans entrée d’air Avec entrée d’air S Tcond Trefr S

Extraction de l’air par pompe à vide

Extraction de l’air par trompe à vide Vapeur en sortie de turbine air air Eau trompe à vide Gaz = air+vapeur d’eau S

CONDENSEUR