Laboratoire de simulation

À l’exception des centrales hydroélectriques, la plupart des centrales électriques emploient un type de chaudière et de turbine à vapeur. Un schéma d’une centrale à vapeur simple est présenté ci-dessous:

La vapeur à haute pression quitte la chaudière et entre dans la turbine. La vapeur se détend dans la turbine et fournit un travail qui permet à la turbine d’entraîner le générateur électrique. La vapeur d’échappement quitte la turbine et entre dans le condenseur où la chaleur est transférée de la vapeur à l’eau de refroidissement. La pression du condensat qui quitte le condenseur est augmentée dans la pompe, ce qui permet au condensat de s’écouler dans la chaudière. Ce cycle thermodynamique est connu sous le nom de cycle de Rankine.

Le rendement du cycle de Rankine

Comme indiqué ci-dessus, une partie de la chaleur est toujours perdue de la vapeur à l’eau de refroidissement. En outre, les pompes d’alimentation consomment de l’énergie, ce qui réduit le rendement net. Le rendement du cycle de Rankine peut alors s’exprimer comme suit :

ou

en se référant au schéma ci-dessus et en utilisant les valeurs d’enthalpie dans le cycle de Rankine, on peut écrire :

Améliorations du rendement du cycle de Rankine

Effet de la pression et de la température sur le cycle de Rankine

Si la pression d’échappement baisse de P4 à P4′ avec la diminution correspondante de la température à laquelle la chaleur est rejetée dans le condenseur, le travail net augmente de surface 1-.4-4′-1′-2′-2-1 (voir diagramme ci-dessous)

De la même manière, si la vapeur est surchauffée dans la chaudière, il est évident que le travail est augmenté de surface 3-3′-4′-4-3 (voir schéma ci-dessous) :

La surchauffe de la vapeur se fait en augmentant le temps d’exposition de la vapeur aux gaz de combustion. Le résultat de la surchauffe est que, pour une puissance donnée, l’installation utilisant de la vapeur surchauffée sera de plus petite taille que celle utilisant de la vapeur saturée sèche.

Le cycle de réchauffage

Nous avons noté ci-dessus que l’efficacité du cycle de Rankine est augmentée par la surchauffe de la vapeur. Si l’on pouvait trouver des métaux qui nous permettraient d’atteindre des températures plus élevées, le cycle de Rankine pourrait être plus efficace. Pour améliorer l’efficacité, on a développé le cycle de réchauffage qui est représenté schématiquement ci-dessous:

Dans ce cycle, la vapeur est détendue à une certaine pression intermédiaire dans la turbine et est ensuite réchauffée dans la chaudière, après quoi elle se détend dans la turbine à basse pression jusqu’à la pression d’échappement. Le cycle de Rankine avec rendement thermique de réchauffage peut être exprimé comme:

Le cycle régénératif

Une autre variante du cycle de Rankine est le cycle régénératif, qui implique l’utilisation de réchauffeurs d’eau d’alimentation. Pendant le processus entre les états 2 et 2′, l’eau d’alimentation est chauffée et la température moyenne est beaucoup plus basse pendant ce processus que pendant le processus de vaporisation 2′-3. En d’autres termes, la température moyenne à laquelle la chaleur est fournie dans le cycle de Rankine est plus basse que dans le cycle de Carnot 1′-2′-3-4-1′, et par conséquent le rendement du cycle de Rankine est inférieur à celui du cycle de Carnot correspondant. La relation entre le cycle de Carnot et le cycle de Rankine est présentée ci-dessous.

Dans le cycle régénératif, l’eau d’alimentation entre dans la chaudière à un certain point entre 2 et 2′. Par conséquent, la température moyenne à laquelle la chaleur est fournie est augmentée. Un schéma de cycle pratique est présenté ci-dessous:

Le rendement thermique de l’usine

Pour calculer le rendement thermique global de l’usine, nous devons ajuster les formules ci-dessus pour incorporer la chaleur ajoutée dans les sections de réchauffage de la chaudière :

Conseils& Astuces

Dans ce laboratoire, vous calculez essentiellement l’efficacité thermique du cycle de Rankine. Cependant, vous devez prendre en considération le cycle de réchauffage et enregistrer les balises suivantes dans vos tendances :

• Q02395 Réchauffeur 1 chaleur transférée
• Q02375 Réchauffeur 2 chaleur transférée

Pour la température d’entrée de l’eau d’alimentation de la chaudière, vous pouvez utiliser la balise de température de sortie de l’eau d’alimentation de l’échangeur de chaleur de démarrage# : T02447.

Pour le deuxième calcul, localisez la page 0100 de la liste des variables comme indiqué ci-dessous :

Pour le troisième calcul, assurez-vous d’avoir fermé toutes les vannes d’extraction de vapeur et de régler T00305 à 10°C :

Pour calculer les valeurs d’enthalpie, vous pouvez utiliser une appli ou un outil en ligne tel que le tableau de la vapeur surchauffée : https://goo.gl/GdVM4U

.