TURBINES A VAPEUR TAV (cycles moteurs)

TURBINES A VAPEUR TAV (cycles moteurs)

Généralités Utilisation Production d électricité Propulsion des navires et sous-marins Puissance Fluide utilisé: Cycle à vapeur de puissance importante : 50 à 1300 MW (/ Turbines à gaz : 100 kw à 100 MW ) 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

Cycle de Rankine-Hirn 2 3 GV + Surchauffeur Turbine Bouilleur 1 Condenseur 4 Pompe Condenseur Cycle : TAV caractérisée par : P 3 pression au GV (source chaude, ~100 à 300 b) et T 1 au condenseur (source froide, ~40 C) 1 er ppe, Gibbs, Jouguet T ébul 2 P échap 4 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 2 r 3 GV + Surchauffeur P 1 1 Condenseur 4 2 r 5 4 4 Rendement isentropiques des machines : Rendement thermodynamique du cycle : Comme (h 3 -h 4 )>>(h 2 -h 1 ) ce sont surtout les irréversibilités dans la turbine qui font chuter le rendement du cycle

Question pratique : Quelle influence des choix de P 2 =P 3 au GV et de T 3 en entrée de Turbine (surchauffe)? Diagramme de Mollier * Raisonnons sur le cycle idéal * sous courbe de saturat : P 2 =P 3 3 3 b 3 c T 3 3 a 4 c 2 4 a 4 4 b P 1 2 3 1 4 2, 2 1 θ 4 θ 3 H c H a H H b à P 2 =P 3 fixée au GV, une augmentation de la surchauffe (T 3 T 2 ) => une augmentation de η th (démonstration : 3 et 3a) à T 3 fixé, une augmentation de P 3 => d abord une augmentation de η th puis une diminution de η th (?) (démonstration : 3b, 3 et 3c (?))

Question pratique : Quelle influence du choix du fluide (L LV, C liq, C p vap )? Raisonnons sur un cycle schématisé par des segments de droites + hyp : C liq et C p vap sont ~ cstes 3 T 2 a 2 2 f T 1 1 4 2 3 1 4 où : On pose : f croissante de DT Or :

De façon générale : Cas à faible surchauffe (récupération d énergie à basse température) : Fluide optimal : celui qui a la valeur la plus grandede 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 T 1 au condenseur (et donc P 1 ) en lien avec la température de la source froide (1 et 4 descendent), - Faire une resurchauffedurant la détente en fractionnant la turbine en étage HP & BP (4 se déplace à droite) - Augmenter P 2 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 T 1 au condenseur (et donc P 1 ) en lien avec la température de la source froide - Faire une resurchauffe durant la détente en fractionnant la turbine en étage HP & BP - Augmenter P 2 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 2 3 4 1 5 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 cfv vap 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 2 1 3 6 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! (P vs (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. air E Vapeur en sortie de turbine air Gaz = air+vapeur d eau trompe à vide Eau S Liquide

Débit masse de vapeur : m& V = χ vm& ; χv : titre devapeur Débit masse d eau liquide : m& L = ( 1 χv ) m& ; m& = Cte Débit masse d air (faible) : m& = χ m & a a = Cte Débit masse total : m& + m& = L V m& m & = Cte Dans le condenseur m& V χ m& = diminue localement. v Entrée m& VE = χ m& & m& = 1 VE LE ( χ ) m& VE Sortie En absence d air : m& = 0 & m& = VS LS m&

En présence d air, la condition d équilibre pour de l air incondensable est : m& v p( v ) = ϕv p = pvs ( T ) où : ϕv = M w m& a + m& v M Dans le condenseur P=Cte si on néglige la pdc = diminue. m& V χvm& m& = χ m & a a = Cte Donc si ϕ v diminue alors T diminue => ϕ v diminue On ne peut plus garder une température constante, T diminue mais est limitée par T refroid a (La température minimale dans le condenseur T S est liée à l efficacité de l échangeur et à la température de l eau de refroidissement T refr ) T Sans entrée d air Avec entrée d air Et le titre de la vapeur d eau en sortie n est donc plus nul. Tcond Trefr S S E s