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Efficacité thermique de la turbine à vapeur

Comment fonctionne une turbine à vapeur?

L’ énergie thermique contenue dans la vapeur est convertie en énergie mécanique par expansion à travers la turbine . L’expansion se fait à travers une série de pales fixes (buses), qui orientent le flux de vapeur en jets à grande vitesse . Ces jets contiennent une énergie cinétique importante, qui est convertie en rotation de l’arbre par les pales du rotor en forme de godet, lorsque le jet de vapeur change de direction  (voir: Loi de conversation de l’élan ). Le jet de vapeur, en se déplaçant sur la surface incurvée de la lame, exerce une pression sur la lame en raison de sa force centrifuge. Chaque rangée de buses fixes et de lames mobiles est appelée une étape. Les pales tournent sur le rotor de turbine et les pales fixes sont disposées concentriquement à l’intérieur du carter de turbine circulaire.

Dans toutes les turbines, la vitesse de rotation de la pale est proportionnelle à la vitesse de la vapeur passant sur la pale. Si la vapeur n’est détendue qu’en une seule étape de la pression de la chaudière à la pression d’échappement, sa vitesse doit être extrêmement élevée. Mais la turbine principale typique des centrales nucléaires, dans laquelle la vapeur passe de pressions d’environ 6 MPa à des pressions d’environ 0,008 MPa , fonctionne à des vitesses d’environ 3000 tr / min pour des systèmes à 50 Hz pour un générateur à 2 pôles (ou 1500 tr / min pour un générateur à 4 pôles). et 1800 tr / min pour les systèmes à 60 Hz pour le générateur à 4 pôles (ou 3600 tr / min pour le générateur à 2 pôles). Un anneau à lame unique nécessiterait de très grandes lames et environ 30 000 tr / min, ce qui est trop élevé pour des raisons pratiques.

Par conséquent, la plupart des centrales nucléaires exploitent une turbogénératrice à un arbre qui se compose d’une turbine HP à plusieurs étages et de trois turbines BP à plusieurs étages parallèles , d’un générateur principal et d’un excitateur.  La turbine HP est généralement une turbine à réaction à double flux avec environ 10 étages avec des pales enveloppées et produit environ 30 à 40% de la puissance de sortie brute de la centrale. Les turbines LP sont généralement des turbines à réaction à double fluxavec environ 5-8 étages (avec des lames enveloppées et avec des lames autonomes des 3 derniers étages). Les turbines LP produisent environ 60 à 70% de la puissance brute de la centrale. Chaque rotor de turbine est monté sur deux roulements, c’est-à-dire qu’il y a des roulements doubles entre chaque module de turbine.

Voir aussi: HP Turbine

Voir aussi: LP Turbine

Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est presque de la vapeur saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers le séparateur-réchauffeur d’humidité (point D ). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité . Le réchauffeur chauffe la vapeur (point D), puis la vapeur est dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (point E à F). La vapeur évacuée se condense ensuite dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%.

Types de turbines à vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur construction, des pressions de service, de la taille et de nombreux autres paramètres. Mais il existe deux types de base de turbines à vapeur:

• turbines à impulsion
• turbines à réaction .

La principale distinction est la manière dont la vapeur est détendue lorsqu’elle passe à travers la turbine.

Turbine à impulsion et turbine à réaction

Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des pales et le processus de conversion d’énergie sont les turbines à impulsion et les turbines à réaction.

Turbine à impulsion

La turbine à impulsion est composée de pales mobiles alternant avec des buses fixes . Dans la turbine à impulsion, la vapeur est détendue dans des buses fixes et reste à pression constante lors du passage sur les pales. Les turbines Curtis , Rateau ou Brown-Curtis sont des turbines à impulsion. La turbine à vapeur d’origine, la De Laval, était une turbine à impulsion dotée d’une roue à aube.

La totalité de la chute de pression de vapeur a lieu uniquement dans les buses fixes. Bien que les pales d’impulsion théoriques aient une chute de pression nulle dans les pales mobiles, pratiquement, pour que l’écoulement ait lieu à travers les pales mobiles, il doit également y avoir une petite chute de pression à travers les pales mobiles.

Dans les turbines à impulsion, la vapeur se dilate à travers la buse, où la majeure partie de l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales , change de direction , ce qui à son tour applique une force . L’ impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. La principale caractéristique de ces turbines est que la chute de pression par étage peut être assez importante, permettant de grandes pales et un nombre d’étages plus réduit. À l’exception des applications à faible puissance, les aubes de turbine sont disposées en plusieurs étapes en série, appelées compoundage, ce qui améliore considérablement l’efficacité à basse vitesse.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Étant donné que les étages Curtis réduisent considérablement la pression et la température du fluide à un niveau modéré avec une proportion élevée de travail par étage. Une disposition habituelle consiste à prévoir du côté haute pression un ou plusieurs étages de Curtis, suivis d’un Rateau ou d’une étape de réaction. En général, lorsque le frottement est pris en compte les étapes de réaction, l’étape de réaction se révèle être la plus efficace, suivie par Rateau et Curtis dans cet ordre. Les pertes par friction sont importantes pour les étages Curtis, car elles sont proportionnelles à la vitesse de la vapeur au carré. La raison pour laquelle les pertes par frottement sont moins importantes dans la phase de réaction réside dans le fait que la vapeur se dilate en continu et donc les vitesses d’écoulement sont plus faibles.

Turbine de réaction – Turbine Parsons

La turbine de réaction est composée de pales mobiles ( buses ) alternant avec des buses fixes . Dans la turbine de réaction, la vapeur est détendue dans des buses fixes et également dans les buses mobiles. En d’autres termes, la vapeur se dilate continuellement lorsqu’elle s’écoule sur les pales. Il y a une perte de pression et de vitesse dans les lames mobiles. Les pales mobiles ont une buse à vapeur convergente. Ainsi, lorsque la vapeur passe sur les pales fixes, elle se dilate avec une diminution de la pression de vapeur et une augmentation de l’énergie cinétique.

Dans les turbines à réaction, la vapeur se dilate à travers la buse fixe, où l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à haute vitesse des buses fixes impacte les pales (buses), change de direction et subit une nouvelle  expansion . Le changement de direction et l’ accélération de l’équipe s appliquent une force. L’impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. Il n’y a pas de changement net de la vitesse de la vapeur à travers l’étage mais avec une diminution de la pression et de la température, reflétant le travail effectué dans l’entraînement du rotor. Dans ce type de turbine, les chutes de pression se produisent en plusieurs étapes, car la chute de pression en une seule étape est limitée.

La principale caractéristique de ce type de turbine est que contrairement à la turbine à impulsion, la chute de pression par étage est plus faible , donc les pales deviennent plus petites et le nombre d’étages augmente . En revanche, les turbines à réaction sont généralement plus efficaces, c’est-à-dire qu’elles ont un «rendement de turbine isentropique» plus élevé . La turbine à réaction a été inventée par Sir Charles Parsons et est connue sous le nom de turbine Parsons.

Dans le cas des turbines à vapeur, telles que celles qui seraient utilisées pour la production d’électricité, une turbine à réaction nécessiterait environ le double du nombre de rangées d’aubes comme une turbine à impulsion, pour le même degré de conversion d’énergie thermique. Bien que cela rend la turbine de réaction beaucoup plus longue et plus lourde, le rendement global d’une turbine de réaction est légèrement supérieur à celui d’une turbine à impulsion équivalente pour la même conversion d’énergie thermique.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Classification des turbines – conditions d’alimentation et d’échappement de vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur fonction et des pressions de service . L’utilisation industrielle d’une turbine influence les conditions initiales et finales de la vapeur. Pour qu’une turbine à vapeur fonctionne, une différence de pression doit exister entre l’alimentation en vapeur et l’échappement.

Cette classification comprend:

• Turbine à vapeur à condensation ,
• Turbine à vapeur à contre-pression ,
• Réchauffer la turbine à vapeur ,
• Turbine avec extraction à vapeur

Des aubes de turbine

Les éléments de turbine les plus importants sont les aubes de turbine . Ce sont les principaux éléments qui convertissent l’énergie de pression du fluide de travail en énergie cinétique. Les aubes de turbine sont de deux types de base:

• lames mobiles
• lames fixes

Dans les turbines à vapeur , la vapeur se dilate à travers la pale fixe (buse), où l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales mobiles, change de direction et se dilate également (en cas de pales de type réactionnel ). Le changement de direction et l’accélération de la vapeur (en cas de pales de type réactionnel) appliquent une force. L’impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des pales et le processus de conversion d’énergie sont:

• turbine à impulsion
• turbine de réaction

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

L’efficacité et la fiabilité d’une turbine dépendent de la conception appropriée des pales. Il est donc nécessaire que tous les ingénieurs impliqués dans l’ingénierie des turbines aient une vue d’ensemble de l’importance et des aspects de conception de base des aubes de turbine à vapeur. L’ingénierie des aubes de turbine est une tâche multidisciplinaire . Elle concerne la thermodynamique , l’aérodynamique, l’ ingénierie mécanique et des matériaux .

Pour les turbines à gaz , les aubes de turbine sont souvent le composant limitant. La température la plus élevée du cycle se produit à la fin du processus de combustion et elle est limitée par la température maximale à laquelle les aubes de turbine peuvent résister. Comme d’habitude, les considérations métallurgiques (environ 1700 K) imposent des limites supérieures à l’efficacité thermique. Par conséquent, les aubes de turbine utilisent souvent des matériaux exotiques comme les superalliages et de nombreuses méthodes de refroidissement différentes, telles que les canaux d’air internes, le refroidissement des couches limites et les revêtements de barrière thermique. Le développement de superalliages dans les années 40 et de nouvelles méthodes de traitement telles que la fusion par induction sous vide dans les années 50 ont considérablement augmenté la capacité de température des aubes de turbine. Les pales de turbine modernes utilisent souventsuperalliages à base de nickel qui contiennent du chrome, du cobalt et du rhénium.

Les aubes de turbine à vapeur ne sont pas exposées à des températures aussi élevées, mais elles doivent résister à un fonctionnement avec un fluide diphasique . Une teneur élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer un impact et une érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est projetée sur les pales. Pour éviter cela, par exemple, des drains de condensats sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine. Un autre défi pour les ingénieurs est la conception des pales du dernier étage de turbine LP. Ces pales doivent être (en raison du volume spécifique élevé de vapeur) très longues, ce qui induit d’ énormes forces centrifugespendant le fonctionnement. Par conséquent, les aubes de turbine sont soumises à des contraintes dues à la force centrifuge (les étages de turbine peuvent tourner à des dizaines de milliers de tours par minute (tr / min), mais généralement à 1800 tr / min) et à des forces de fluide qui peuvent provoquer des ruptures, des pertes ou des défaillances de fluage.

Aubes de turbine – Racine, profil, carénage

Les pales de turbine sont généralement divisées en trois parties:

• Racine. La racine est une caractéristique de construction des pales de turbine, qui fixe la pale dans le rotor de turbine.
• Profil. Le profil convertit l’énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique de la lame.
• Envelopper.  Le carénage réduit les vibrations de la lame qui peuvent être induites par l’écoulement de vapeur à haute pression à travers les lames.

Pertes dans les turbines à vapeur

La turbine à vapeur n’est pas un moteur thermique parfait. Les pertes d’énergie tendent à diminuer le rendement et le rendement de travail d’une turbine. Cette inefficacité peut être attribuée aux causes suivantes.

• Perte de vitesse résiduelle. La vitesse de la vapeur sortant de la turbine doit avoir une certaine valeur absolue (v _ex ). La perte d’énergie due à la vitesse absolue de sortie de vapeur est proportionnelle à (v _ex ^deux / 2). Ce type de perte peut être réduit en utilisant une turbine à plusieurs étages.
• Présence de friction . Dans les systèmes thermodynamiques réels ou dans les moteurs thermiques réels, une partie de l’inefficacité globale du cycle est due aux pertes par frottement des composants individuels (par exemple, buses ou aubes de turbine)
• Fuite de vapeur. Le rotor de turbine et le carter ne peuvent pas être parfaitement isolés. Une certaine quantité de vapeur s’échappe de la chambre sans faire de travail utile.
• Perte due au frottement mécanique des roulements. Chaque rotor de turbine est monté sur deux roulements, c’est-à-dire qu’il y a des roulements doubles entre chaque module de turbine.
• Pertes de charge dans les vannes de régulation et les conduites de vapeur. Il y a les principales vannes d’isolement des conduites de vapeur (MSIV), les vannes d’arrêt des gaz et les vannes de régulation entre les générateurs de vapeur et la turbine principale. Comme la friction des tuyaux, les pertes mineures sont à peu près proportionnelles au carré du débit . Le débit dans les conduites de vapeur principales est généralement très élevé. Bien que l’étranglement soit un processus isenthalpique, la goutte d’enthalpie disponible pour le travail dans la turbine est réduite, car cela entraîne une augmentation de la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie.
• Pertes dues à la faible qualité de la vapeur . La vapeur d’échappement est à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et la vapeur est dans un état partiellement condensé, généralement d’une qualité proche de 90%. Une teneur plus élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer un impact et une érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est projetée sur les pales.
• Perte de rayonnement. La turbine à vapeur peut fonctionner à l’état d’équilibre avec des conditions d’entrée de 6 MPa, t = 275,6 °. Puisqu’il s’agit d’une machine grande et lourde, elle doit être isolée thermiquement pour éviter toute perte de chaleur dans l’environnement.

Gouvernance de la turbine à vapeur

La régulation de la turbine à vapeur est la procédure de contrôle du débit de vapeur vers une turbine à vapeur de manière à maintenir la vitesse de la turbine assez constante quelle que soit la charge sur la turbine. La turbine principale typique des centrales nucléaires, dans laquelle la vapeur se détend de pressions d’environ 6 MPa à des pressions d’environ 0,008 MPa, fonctionne à des vitesses d’environ:

• 3000 tr / min pour les systèmes 50 Hz pour générateur 2 pôles (ou 1500 tr / min pour générateur 4 pôles),
• 1800 tr / min pour les systèmes 60 Hz pour générateur 4 pôles (ou 3600 tr / min pour générateur 2 pôles).

La variation de charge (puissance) lors du fonctionnement d’une turbine à vapeur peut avoir un impact significatif sur ses performances et son efficacité. Traditionnellement, les centrales nucléaires (centrales nucléaires) ont été considérées comme des sources de charge de based’électricité car ils reposent sur une technologie à coûts fixes élevés et à coûts variables faibles. Cependant, cette simple situation ne s’applique plus dans tous les pays. La part de l’énergie nucléaire dans le bouquet électrique national de certains pays est devenue si importante que les services publics ont dû mettre en œuvre ou améliorer les capacités de manoeuvrabilité de leurs centrales afin de pouvoir adapter l’approvisionnement en électricité aux variations quotidiennes, saisonnières ou autres dans la demande d’énergie. C’est par exemple le cas en France où plus de 75% de l’électricité est produite par des centrales nucléaires, et où certains réacteurs nucléaires fonctionnent en mode suivi de charge .

L’objectif principal du fonctionnement de la turbine à vapeur est de maintenir une vitesse de rotation constante quelle que soit la charge variable. Ceci peut être réalisé en régissant dans une turbine à vapeur. Les principales méthodes de régulation utilisées dans les turbines à vapeur sont:

1. 

   Régulation des gaz . Les éléments principaux d’un système de régulation des gaz simple sont les vannes d’arrêt des gaz et en particulier les vannes de régulation entre les générateurs de vapeur et la turbine principale. L’objectif principal des vannes de régulation est de réduire le débit de vapeur. Accessoirement à la réduction du débit massique, la vapeur subit une chute de pression croissante à travers la vanne de régulation, qui est en fait un processus isenthalpique. Bien que l’étranglement soit un processus isenthalpique, la goutte d’enthalpie disponible pour le travail dans la turbine est réduite, car cela entraîne une augmentation de la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie.

2. Buse régissant . Dans la régulation des buses, l’alimentation en vapeur de la vanne principale est divisée en deux, trois ou plusieurs conduites. Le débit de vapeur est régulé par l’ouverture et la fermeture de jeux de buses plutôt que par la régulation de sa pression.
3. Contournement régissant . Ceci est généralement utilisé pour la soupape de surcharge qui fait passer la vapeur directement dans les derniers étages de la turbine à vapeur. Pendant une telle opération, des soupapes de dérivation sont ouvertes et de la vapeur vive est introduite dans les derniers étages de la turbine. Cela génère plus d’énergie pour satisfaire la charge accrue.
4. Combinaison de 2 et 3 .

Voyage Turbine

Chaque turbine à vapeur est également équipée de régulateurs d’urgence qui entrent en action dans des conditions spécifiques. En général, un imprévu ou d’ arrêt d’urgence d’une turbine est connu comme un « déclenchement de la turbine ». Le signal de déclenchement de la turbine déclenche la fermeture rapide de toutes les vannes d’entrée de vapeur  (par exemple les vannes d’arrêt de turbine – TSV) pour bloquer le flux de vapeur à travers la turbine.

L’événement de déclenchement de la turbine est un transitoire postulé standard, qui doit être analysé dans le rapport d’analyse de la sûreté (SAR) pour les centrales nucléaires.

Dans un événement de déclenchement de turbine, un dysfonctionnement d’une turbine ou d’un système de réacteur provoque le déclenchement de la turbine hors de la ligne en arrêtant brusquement le flux de vapeur vers la turbine. Les causes courantes d’un arrêt de turbine sont par exemple:

• la vitesse de l’arbre de turbine augmente au-delà de la valeur spécifique (par exemple 110%) – survitesse de la turbine
• l’équilibrage de la turbine est perturbé ou dû à de fortes vibrations
• défaillance du système de lubrification
• faible vide dans le condenseur
• déclenchement manuel de la turbine d’urgence

Après un arrêt de turbine, le réacteur est généralement déclenché directement à partir d’un signal dérivé du système. D’un autre côté, le système de protection du réacteur déclenche un signal de déclenchement de turbine chaque fois que le déclenchement du réacteur se produit. Puisqu’il reste encore de l’énergie dans le système d’alimentation en vapeur nucléaire (NSSS), le système de dérivation automatique de la turbine permettra d’accueillir la production de vapeur excédentaire.

Principe de fonctionnement du générateur à turbine – Production d’électricité

La plupart des centrales nucléaires exploitent une turbogénératrice à un arbre qui se compose d’une turbine HP à plusieurs étages et de trois turbines BP à plusieurs étages parallèles , d’un générateur principal et d’un excitateur.  La turbine HP est généralement une turbine à impulsion à double flux (ou type à réaction) avec environ 10 étages avec des pales enveloppées et produit environ 30 à 40% de la puissance de sortie brute de la centrale. Turbines LP sont généralement des turbines à réaction à double flux avec environ 5-8 étages (avec des pales enveloppées et avec des pales autonomes des 3 derniers étages). Les turbines LP produisent environ 60 à 70% de la puissance brute de la centrale. Chaque rotor de turbine est monté sur deux roulements, c’est-à-dire qu’il y a des roulements doubles entre chaque module de turbine.

Du générateur de vapeur aux conduites de vapeur principales – Évaporation

Le système de conversion de puissance d’un PWR typique  commence dans les générateurs de vapeur sur leurs côtés de coque. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans un cœur de réacteur nucléaire . L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée de ~ 230 ° C 500 ° F (fluide préchauffé par des régénérateurs) au point d’ébullition de ce fluide (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . La chaleur est transférée à travers les parois de ces tubes vers le liquide de refroidissement secondaire à basse pression situé sur le côté secondaire de l’échangeur où le liquide de refroidissement s’évapore en vapeur sous pression ( vapeur saturée 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). La vapeur saturée quitte le générateur de vapeur par une sortie de vapeur et continue vers les conduites de vapeur principales et ensuite vers la turbine à vapeur .

Ces conduites de vapeur principales sont réticulées (par exemple via un tuyau de collecteur de vapeur) près de la turbine pour garantir que la différence de pression entre l’un des générateurs de vapeur ne dépasse pas la valeur spécifique, maintenant ainsi l’équilibre du système et assurant une évacuation uniforme de la chaleur du système de refroidissement du réacteur ( RCS). La vapeur s’écoule à travers les vannes d’isolement de la conduite de vapeur principale (MSIV), qui sont très importantes du point de vue de la sécurité, vers la turbine haute pression. Directement à l’entrée de la turbine à vapeur, il y a des vannes d’arrêt des gaz et des vannes de régulation . Le contrôle de la turbine est obtenu en faisant varier ces ouvertures de soupapes de turbine. En cas de déclenchement turbine, l’alimentation en vapeur doit être isolée très rapidement, généralement en une fraction de seconde, de sorte que les vannes d’arrêt doivent fonctionner rapidement et de manière fiable.

Des vannes de turbine au condenseur – Expansion

La plupart des centrales nucléaires exploitent généralement des turbines à vapeur à condensation à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est presque de la vapeur saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers un séparateur-réchauffeur d’humidité (MSR – point D). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité . Une teneur élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer un impact et une érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est projetée sur les pales. Pour éviter cela, des drains de condensats sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine.

La vapeur sans humidité est surchauffée par la vapeur d’extraction de l’étage haute pression de la turbine et par la vapeur directement des conduites de vapeur principales. La vapeur de chauffage est condensée dans les tubes et évacuée vers le système d’eau d’alimentation.

Le réchauffeur chauffe la vapeur (point D), puis la vapeur est dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (point E à F). La vapeur évacuée se condense ensuite dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%. Les étages haute et basse pression de la turbine se trouvent généralement sur le même arbre pour entraîner un générateur commun, mais ils ont des boîtiers séparés. Le générateur principal produit de l’énergie électrique, qui est fournie au réseau électrique.

Du condensateur aux pompes à condensats – Condensation

Le condenseur principal condense la vapeur d’échappement des étages basse pression de la turbine principale et également du système de décharge de vapeur. La vapeur d’échappement est condensée en passant sur des tubes contenant de l’eau du système de refroidissement.

La pression à l’intérieur du condenseur est donnée par la température de l’air ambiant (c’est-à-dire la température de l’eau dans le système de refroidissement) et par des éjecteurs à vapeur ou des pompes à vide , qui aspirent les gaz (non condensables) du condenseur de surface et les éjectent dans l’atmosphère.

La pression de condensation la plus basse possible est la pression de saturation correspondant à la température ambiante (par exemple une pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C ). Notez qu’il y a toujours une différence de température entre (autour de ΔT = 14 ° C ) la température du condenseur et la température ambiante, qui provient de la taille finie et de l’efficacité des condenseurs. Comme le condenseur n’est pas un échangeur de chaleur efficace à 100%, il y a toujours une différence de température entre la température de saturation (côté secondaire) et la température du liquide de refroidissement dans le système de refroidissement. De plus, il y a une inefficacité de conception qui diminue l’efficacité globale de la turbine. Idéalement, la vapeur évacuée dans le condenseur n’aurait pas de sous-refroidissement. Mais les vrais condenseurs sont conçus pour sous-refroidir le liquide de quelques degrés Celsius afin d’éviter la cavitation d’aspiration dans les pompes à condensats. Mais, ce sous-refroidissement augmente l’inefficacité du cycle, car plus d’énergie est nécessaire pour réchauffer l’eau.

L’objectif de maintenir la pression d’échappement de turbine pratique la plus basse est une raison principale pour inclure le condenseur dans une centrale thermique. Le condenseur fournit un vide qui maximise l’énergie extraite de la vapeur, résultant en une augmentation significative du travail net et de l’efficacité thermique. Mais aussi ce paramètre (pression du condenseur) a ses limites d’ingénierie:

• La diminution de la pression d’échappement de la turbine diminue la qualité de la vapeur (ou la fraction de sécheresse). À un certain point, l’expansion doit être interrompue pour éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité .
• La diminution de la pression d’échappement de la turbine augmente considérablement le volume spécifique de vapeur d’échappement, ce qui nécessite d’énormes pales dans les dernières rangées de l’étage basse pression de la turbine à vapeur.

Dans une turbine à vapeur humide typique , la vapeur d’échappement se condense dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C). Cette vapeur est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%. Notez que la pression à l’intérieur du condenseur dépend également des conditions atmosphériques ambiantes:

• température, pression et humidité de l’air en cas de refroidissement dans l’atmosphère
• température de l’eau et débit en cas de refroidissement dans une rivière ou une mer

Une augmentation de la température ambiante entraîne une augmentation proportionnelle de la pression de la vapeur d’ échappement ( ΔT = 14 ° C est généralement une constante), d’où l’efficacité thermique du système de conversion de puissance diminue. En d’autres termes, la puissance électrique d’une centrale électrique peut varier avec les conditions ambiantes , tandis que la puissance thermique reste constante.

La vapeur condensée (maintenant appelée condensat) est collectée dans le hotwell du condenseur. Le hotwell du condenseur fournit également une capacité de stockage d’eau, qui est nécessaire à des fins opérationnelles telles que le remplissage de l’eau d’alimentation. Le condensat (liquide saturé ou légèrement sous-refroidi) est acheminé vers la pompe à condensat puis pompé par des pompes à condensat vers le dégazeur via le système de chauffage de l’eau d’alimentation. Les pompes à condensats augmentent généralement la pression à environ p = 1-2 MPa. Il existe généralement quatre pompes à condensats centrifuges d’un tiers avec des collecteurs d’aspiration et de refoulement communs. Trois pompes sont normalement en fonctionnement avec une dans la sauvegarde.

Des pompes à condensats aux pompes à eau d’alimentation – Régénération de la chaleur

Le condensat des pompes à condensats passe ensuite par plusieurs étages de chauffe-eau à basse pression , dans lesquels la température du condensat est augmentée par transfert de chaleur de la vapeur extraite des turbines à basse pression. Il y a généralement trois ou quatre étages de chauffe-eau basse pression connectés dans la cascade. Le condensat sort des chauffe-eau basse pression à environ p = 1 MPa, t = 150 ° C et entre dans le dégazeur. Le système de condensat principal contient également un système de purification mécanique des condensats pour éliminer les impuretés. Les chauffe-eau d’alimentation sont autorégulants. Cela signifie que plus le débit d’eau d’alimentation est important, plus le taux d’absorption de chaleur de la vapeur est élevé et plus le débit de vapeur d’extraction est important.

Il y a des clapets anti-retour dans les conduites de vapeur d’extraction entre les chauffe-eau d’alimentation et la turbine. Ces clapets anti-retour empêchent le flux inverse de vapeur ou d’eau en cas de déclenchement de la turbine, ce qui provoque une diminution rapide de la pression à l’intérieur de la turbine. Toute eau entrant dans la turbine de cette manière pourrait endommager gravement la pale de la turbine.

Désaérateur

En général, un dégazeur est un appareil utilisé pour éliminer l’oxygène et les autres gaz dissous de l’eau d’alimentation vers les générateurs de vapeur. Le dégazeur fait partie du système de chauffage de l’eau d’alimentation. Il est généralement situé entre le dernier réchauffeur basse pression et les pompes d’appoint d’eau d’alimentation. En particulier, l’oxygène dissous dans le générateur de vapeur peut causer de graves dommages de corrosion en se fixant aux parois des tuyaux métalliques et autres équipements métalliques et en formant des oxydes (rouille). De plus, le dioxyde de carbone dissous se combine avec l’eau pour former de l’acide carbonique qui provoque une corrosion supplémentaire.

Dans le dégazeur , le condensat est chauffé à des conditions saturées généralement par la vapeur extraite de la turbine à vapeur. La vapeur d’extraction est mélangée dans le dégazeur par un système de buses de pulvérisation et de plateaux en cascade entre lesquels la vapeur s’infiltre. Tous les gaz dissous dans le condensat sont libérés dans ce processus et évacués du dégazeur par ventilation vers l’atmosphère ou vers le condenseur principal. Directement sous le dégazeur se trouve le réservoir de stockage d’eau d’alimentation, dans lequel une grande quantité d’eau d’alimentation est stockée dans des conditions proches de la saturation. Dans le cas d’un arrêt de turbine, cette eau d’alimentation peut être fournie aux générateurs de vapeur pour maintenir l’inventaire d’eau requis pendant les transitoires. Le dégazeur et le réservoir de stockage sont généralement situés à une altitude élevée dans le hall de la turbine pour assurer une tête d’aspiration positive nette (NPSH) adéquate à l’entrée des pompes à eau d’alimentation. Le NPSH est utilisé pour mesurer la proximité d’ un fluide avec des conditions saturées. L’abaissement de la pression côté aspiration peut provoquer une cavitation . Cette disposition minimise le risque de cavitation dans la pompe.

Des pompes à eau d’alimentation au générateur de vapeur

Le système de pompes à eau d’ alimentation comprend généralement trois lignes parallèles ( 3 × 50% ) de pompes à eau d’alimentation avec collecteurs d’aspiration et de refoulement communs. Chaque pompe à eau d’alimentation se compose du surpresseur et de la pompe à eau d’alimentation principale . Les pompes à eau d’alimentation (généralement entraînées par des turbines à vapeur) augmentent la pression du condensat (~ 1 MPa) à la pression dans le générateur de vapeur (~ 6,5 MPa).

Les pompes d’appoint fournissent la pression d’aspiration de la pompe principale d’alimentation en eau requise. Ces pompes (les deux pompes à eau d’alimentation) sont normalement des pompes à haute pression (généralement du type à pompe centrifuge ) qui aspirent le réservoir de stockage d’eau du dégazeur, qui est monté directement sous le dégazeur, et alimentent les principales pompes à eau d’alimentation. La décharge d’eau des pompes à eau d’alimentation s’écoule à travers les chauffe-eau à haute pression , entre dans l’ enceinte de confinement , puis s’écoule dans les générateurs de vapeur .

Le débit d’eau d’alimentation vers chaque générateur de vapeur est contrôlé par des vannes de régulation de l’eau d’ alimentation ( FRV ) dans chaque conduite d’ eau d’alimentation. Le régulateur est contrôlé automatiquement par le niveau du générateur de vapeur, le débit de vapeur et le débit d’eau d’alimentation.

Les chauffe-eau haute pression sont chauffés par extraction de vapeur de la turbine haute pression HP Turbine. Les drains des chauffe-eau haute pression sont généralement acheminés vers le dégazeur.

L’eau d’alimentation ( eau 230 ° C; 446 ° F; 6,5 MPa ) est pompée dans le générateur de vapeur par l’entrée d’eau d’alimentation. Dans le générateur de vapeur, l’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée de ~ 230 ° C 446 ° F au point d’ébullition de ce fluide (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . L’eau d’alimentation est ensuite évaporée et la vapeur sous pression ( vapeur saturée 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) quitte le générateur de vapeur par la sortie de vapeur et continue vers la turbine à vapeur, complétant ainsi le cycle.

Turbine à impulsion et turbine à réaction

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur construction, de leurs pressions de travail, de leur taille et de nombreux autres paramètres. Mais il existe deux types de base de turbines à vapeur:

• turbines à impulsion
• turbines à réaction .

La principale différence réside dans la manière dont la vapeur s’étend lorsqu’elle traverse la turbine.

Turbine à impulsion et turbine à réaction

Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des aubes et le processus de conversion d’énergie sont les turbines à impulsion et à réaction.

Turbine à impulsion

La turbine à impulsions est composée d’ aubes mobiles alternant avec des buses fixes . Dans la turbine à impulsion, la vapeur est détendue dans des buses fixes et reste à une pression constante lors du passage sur les aubes. Les turbines Curtis , Rateau ou Brown-Curtis sont des turbines à impulsion. La turbine à vapeur originale, la De Laval, était une turbine à impulsion dotée d’une roue à une seule lame.

La totalité de la chute de pression de vapeur a lieu uniquement dans les buses fixes. Bien que les pales d’impulsion théoriques aient une chute de pression nulle dans les pales mobiles, pratiquement, pour que l’écoulement ait lieu à travers les pales mobiles, il doit également y avoir une petite chute de pression à travers les pales mobiles.

Dans les turbines à impulsion, la vapeur se dilate à travers la buse, où la majeure partie de l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales , change de direction , ce qui à son tour applique une force . L’ impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. La principale caractéristique de ces turbines est que la chute de pression par étage peut être assez importante, permettant de grandes pales et un nombre d’étages plus réduit. À l’exception des applications à faible puissance, les aubes de turbine sont disposées en plusieurs étapes en série, appelées compoundage, ce qui améliore considérablement l’efficacité à basse vitesse.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Étant donné que les étages Curtis réduisent considérablement la pression et la température du fluide à un niveau modéré avec une proportion élevée de travail par étage. Une disposition habituelle consiste à prévoir du côté haute pression un ou plusieurs étages de Curtis, suivis d’un Rateau ou d’une étape de réaction. En général, lorsque le frottement est pris en compte les étapes de réaction, l’étape de réaction se révèle être la plus efficace, suivie par Rateau et Curtis dans cet ordre. Les pertes par friction sont importantes pour les étages Curtis, car elles sont proportionnelles à la vitesse de la vapeur au carré. La raison pour laquelle les pertes par frottement sont moins importantes dans la phase de réaction réside dans le fait que la vapeur se dilate en continu et donc les vitesses d’écoulement sont plus faibles.

Types de turbines à vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur construction, de leurs pressions de travail, de leur taille et de nombreux autres paramètres. Mais il existe deux types de base de turbines à vapeur:

• turbines à impulsion
• turbines à réaction .

La principale différence réside dans la manière dont la vapeur s’étend lorsqu’elle traverse la turbine.

Turbine à impulsion et turbine à réaction

Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des aubes et le processus de conversion d’énergie sont les turbines à impulsion et à réaction.

Turbine à impulsion

La turbine à impulsions est composée d’ aubes mobiles alternant avec des buses fixes . Dans la turbine à impulsion, la vapeur est détendue dans des buses fixes et reste à une pression constante lors du passage sur les aubes. Les turbines Curtis , Rateau ou Brown-Curtis sont des turbines à impulsion. La turbine à vapeur originale, la De Laval, était une turbine à impulsion dotée d’une roue à une seule lame.

La totalité de la chute de pression de vapeur a lieu uniquement dans les buses fixes. Bien que les pales d’impulsion théoriques aient une chute de pression nulle dans les pales mobiles, pratiquement, pour que l’écoulement ait lieu à travers les pales mobiles, il doit également y avoir une petite chute de pression à travers les pales mobiles.

Dans les turbines à impulsion, la vapeur se dilate à travers la buse, où la majeure partie de l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales , change de direction , ce qui à son tour applique une force . L’ impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. La principale caractéristique de ces turbines est que la chute de pression par étage peut être assez importante, permettant de grandes pales et un nombre d’étages plus réduit. À l’exception des applications à faible puissance, les aubes de turbine sont disposées en plusieurs étapes en série, appelées compoundage, ce qui améliore considérablement l’efficacité à basse vitesse.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Étant donné que les étages Curtis réduisent considérablement la pression et la température du fluide à un niveau modéré avec une proportion élevée de travail par étage. Une disposition habituelle consiste à prévoir du côté haute pression un ou plusieurs étages de Curtis, suivis d’un Rateau ou d’une étape de réaction. En général, lorsque le frottement est pris en compte les étapes de réaction, l’étape de réaction se révèle être la plus efficace, suivie par Rateau et Curtis dans cet ordre. Les pertes par friction sont importantes pour les étages Curtis, car elles sont proportionnelles à la vitesse de la vapeur au carré. La raison pour laquelle les pertes par frottement sont moins importantes dans la phase de réaction réside dans le fait que la vapeur se dilate en continu et donc les vitesses d’écoulement sont plus faibles.

Chauffage et climatisation

Selon la deuxième loi de la thermodynamique , de nombreux processus thermodynamiques se déroulent naturellement dans une direction mais pas l’inverse. Par exemple, lorsqu’il existe une différence de température , la chaleur circule spontanément du système le plus chaud vers le système le plus froid , jamais l’inverse. En fait, un tel flux de chaleur (d’un corps froid à un système plus chaud) ne violerait pas la première loi de la thermodynamique , c’est-à-dire que l’énergie serait conservée. Mais cela n’arrive pas dans la nature.

Les directions des processus thermodynamiques sont soumises à le deuxième principe de la thermodynamique, en particulier à la déclaration de Clausius de le deuxième principe , qui stipule:

“Il est impossible de construire un appareil qui fonctionne sur un cycle et dont le seul effet est le transfert de chaleur d’un corps plus froid à un corps plus chaud”.

La chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid au système chaud sans travail externe sur le système. C’est exactement ce que les réfrigérateurs et les pompes à chaleur accomplissent. Dans un réfrigérateur, une pompe à chaleur ou un climatiseur, la chaleur passe du froid au chaud, mais uniquement lorsque forcée par un travail extérieur , ces dispositifs sont entraînés par des moteurs électriques nécessitant un travail de leur environnement pour fonctionner. Il n’y a pas de différence entre la thermodynamique des réfrigérateurs et des pompes à chaleur. Les deux fonctionnent en déplaçant la chaleur d’un espace froid vers un espace chaud.

Voir aussi: Qu’est-ce que la température?

Pompe à chaleur – Principe de fonctionnement

Le terme pompe à chaleur est généralement réservé à un appareil qui peut chauffer une maison en hiver en utilisant un moteur électrique qui fonctionne W pour prendre la chaleur Q _froide de l’extérieur à basse température et fournit de la chaleur Q _chaude à l’intérieur plus chaud de la maison.

Le principe de fonctionnement des réfrigérateurs , des climatiseurs et des pompes à chaleur est le même et c’est juste l’ inverse d’un moteur thermique . En général, une pompe à chaleur est un appareil qui transfère l’énergie thermique d’une source de chaleur à un « dissipateur de chaleur », mais dans ce cas, le transfert se produit dans la direction opposée du transfert de chaleur spontané en absorbant la chaleur d’un espace froid et en la libérant dans un plus chaud. Comme le montre la figure, en effectuant un travail externe W, la chaleur est prélevée dans une région à basse température (source de chaleur) et une plus grande quantité de chaleur est évacuée à une température plus élevée (dissipateur de chaleur).

Le cycle ou la méthode thermodynamique le plus largement utilisé pour le chauffage, la climatisation, les réfrigérateurs et les pompes à chaleur est le cycle de compression de vapeur .

Cycle de compression de vapeur – Réfrigération de compression de vapeur

La compression de vapeur utilise un fluide frigorigène liquide en circulation comme milieu (généralement le R134a ) qui absorbe et élimine la chaleur de l’espace à refroidir et rejette ensuite cette chaleur ailleurs. La figure représente un système de compression de vapeur à un étage typique . Le système de compression de vapeur typique se compose de quatre composants:

• Compresseur
• Condenseur
• Détendeur (également appelé papillon)
• Évaporateur

Dans un cycle de compression de vapeur idéal, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus: un processus isentropique (adiabatique réversible), un processus d’étranglement alterné avec deux processus isobares:

• Compression isentropique (compression dans le compresseur à piston) – Un réfrigérant en circulation tel que le R134a pénètre dans le compresseur sous forme de vapeur à basse pression à la température de l’intérieur du réfrigérateur ou légèrement en dessous de celle-ci. Le milieu gazeux est comprimé adiabatiquement de l’état 1 à l’état 2 par un compresseur à piston (ou par des pompes centrifuges) à une pression et une température relativement élevées. L’environnement travaille sur le gaz, augmentant son énergie interne (température) et le compressant (augmentant sa pression). En revanche, l’entropie reste inchangée. Le travail requis pour le compresseur est donné par W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejet de chaleur isobare (dans un condenseur) – La vapeur surchauffée se déplace sous pression à travers des bobines ou des tubes qui composent le condenseur. Dans cette phase, le réfrigérant passe à travers le condenseur, où le réfrigérant se condense et il y a un transfert de chaleur du réfrigérant vers l’environnement plus frais. La chaleur nette rejetée est donnée par Q _re = H ₃ – H ₂ . Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur, il est toujours sous pression mais n’est maintenant que légèrement au-dessus de la température ambiante.
• Processus isenthalpique (détente dans un détendeur) – Le réfrigérant à l’état 3 entre dans le détendeur et se détend à la pression de l’évaporateur. Ce processus est généralement modélisé comme un processus d’étranglement pour lequel l’enthalpie reste constante. H ₄ = H ₃ . La baisse soudaine de la pression entraîne une évaporation flash de type explosif d’une partie (généralement environ la moitié) du liquide. La chaleur latente absorbée par cette évaporation flash provient principalement du réfrigérant encore liquide adjacent, un phénomène connu sous le nom d’ auto-réfrigération .
• Ajout de chaleur isobare ( dans un évaporateur ) – Le réfrigérant froid et partiellement vaporisé continue à travers les serpentins ou les tubes de l’évaporateur. Dans cette phase (entre l’état 4 et l’état 1), il y a un transfert de chaleur à pression constante vers le milieu liquide à partir d’une source externe, car la chambre est ouverte pour entrer et sortir. Lorsque le réfrigérant passe à travers l’évaporateur, le transfert de chaleur de l’espace réfrigéré entraîne la vaporisation du réfrigérant. La chaleur nette ajoutée est donnée par Q _add = H ₁ – H ₄

Lors d’un cycle de compression de vapeur, un travail est effectué sur le fluide par les pompes entre les états 1 et 2 ( compression isentropique ). Il n’y a pas de travail effectué par le fluide car entre les étapes 3 et 4 le processus est isenthalpique. Le fluide de travail dans un cycle de compression de vapeur suit une boucle fermée et est réutilisé en permanence.

Pompes à chaleur réversibles

Les pompes à chaleur réversibles fonctionnent dans les deux sens pour fournir du chauffage ou de la climatisation (refroidissement) à l’espace intérieur. Ils utilisent une vanne d’inversion pour inverser le flux de réfrigérant du compresseur à travers le condenseur et les serpentins d’évaporation.

Chauffage et climatisation

En mode chauffage , les pompes à chaleur sont trois à quatre fois plus efficaces pour chauffer (c’est-à-dire qu’elles peuvent avoir COP = 4) que les simples résistances électriques à résistance utilisant la même quantité d’électricité. Le coût généralement installé pour une pompe à chaleur est environ 20 fois plus élevé que pour les résistances chauffantes. En mode chauffage, le serpentin extérieur est un évaporateur, tandis que l’intérieur est un condenseur.

En mode refroidissement , le débit est inversé et le serpentin extérieur est un condenseur, tandis que l’intérieur est un évaporateur. En mode chauffage, le serpentin extérieur est un évaporateur, tandis que l’intérieur est un condenseur. Le COP pour le mode de refroidissement est inférieur à celui du mode de chauffage, car le travail effectué par le compresseur est utilisé uniquement pendant le mode de chauffage.

Coefficient de performance – Pompe à chaleur, réfrigérateur, climatiseur

En général, le rendement thermique , η _e , de tout moteur thermique en tant que rapport du travail qu’il fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q _H .

L’ efficacité thermique , η _th , représente la fraction de chaleur , Q _H , qui est convertie en travail .

Mais dans les pompes à chaleur et les réfrigérateurs , le travail n’est pas une sortie. Pour une réfrigération ou des pompes à chaleur, l’efficacité thermique indique dans quelle mesure l’énergie ajoutée par le travail est convertie en chaleur nette. D’un point de vue économique, le meilleur cycle de réfrigération est celui qui élimine la plus grande quantité de chaleur de l’intérieur du réfrigérateur (réservoir froid) pour la moindre dépense de travail mécanique ou d’énergie électrique. Le ratio pertinent est donc plus ce ratio est élevé, meilleur est le réfrigérateur. Nous appelons ce rapport le coefficient de performance , noté COP .

Le coefficient de performance ,   COP, est également défini pour les pompes à chaleur, mais à ce stade, nous suivons la chaleur nette ajoutée au réservoir chaud. Le COP dépasse généralement 1, en particulier dans les pompes à chaleur, car, au lieu de simplement convertir le travail en chaleur, il pompe la chaleur supplémentaire d’une source de chaleur là où la chaleur est requise.

En général, le COP dépend fortement des conditions de fonctionnement, en particulier de la température absolue et de la température relative entre le dissipateur thermique et le système.

Coefficient de performance – réfrigérateur, climatiseur

Le coefficient de performance , COP , d’un réfrigérateur est défini comme la chaleur évacuée du réservoir froid Q _froid , (c’est-à-dire à l’intérieur d’un réfrigérateur) divisée par le travail W effectué pour évacuer la chaleur (c’est-à-dire le travail effectué par le compresseur).

Comme on peut le voir, le réfrigérateur est meilleur (plus efficace) lorsque plus de chaleur Q _froide peut être retirée de l’intérieur du réfrigérateur pour une quantité de travail donnée. Puisque la première loi de la thermodynamique doit être valable également dans ce cas (Q _froid + W = Q _chaud ), nous pouvons réécrire l’équation ci-dessus:

Pour un réfrigérateur idéal (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:

Ces formules s’appliquent également à un climatiseur , qui fonctionne très bien comme un réfrigérateur.

En revanche, les COP pour le chauffage et le refroidissement sont différents.

Coefficient de performance – Pompe à chaleur

Pour le chauffage, le COP est le rapport de la chaleur ajoutée au système (réservoir chaud). En utilisant le première principe de la thermodynamique, définissez également le COP comme la chaleur retirée du réservoir froid plus le travail d’entrée vers le travail d’entrée.

Pour une pompe à chaleur idéale (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:

A noter que ces équations doivent utiliser une échelle de température absolue (T _froid , T _chaud ) et ce n’est qu’une efficacité maximale théorique . Selon la formule ci-dessus, le COP maximum réalisable pour T _chaud = 35 ° C (308 K) et T _froid = 0 ° C (273 K) serait de 8,8. Mais en réalité, les meilleurs systèmes tournent autour de 4,5.

Comme on peut le voir, le COP d’un système de pompe à chaleur peut être amélioré en réduisant la différence de température (T _chaud – T _froid ). Par conséquent, la réduction de la température de sortie (T _chaud ) est très efficace, mais nécessite un transfert de chaleur très efficace du système de pompe à chaleur vers l’environnement (c.-à-d. Utilisation de plancher tubulaire). Une augmentation de la température d’entrée (T _froid ) signifie, par exemple, une source de chaleur au sol surdimensionnée.

Exemple – Pompe à chaleur – Chauffage et climatisation

Une pompe à chaleur réversible a un coefficient de performance, COP = 3,0 , lorsqu’elle fonctionne en mode chauffage . Son compresseur consomme 1500 W d’énergie électrique.

1. Calculez la quantité de chaleur ( Q _chaude ) que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce?
2. Si la pompe à chaleur était mise en mode refroidissement (c’est-à-dire pour agir comme climatiseur en été), quel serait son coefficient de performance ? Supposons que tout le reste reste le même et négligez toutes les autres pertes.

Solution:

De la COP , qui est définie comme:

la quantité de chaleur que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce est égale à:

Q _chaud = _chauffage COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

Dans le cas du mode de refroidissement , la pompe à chaleur (climatiseur) avec un moteur de 1500 W peut prendre la chaleur Q _froide de l’intérieur de la maison, puis vider Q _chaud = 4500 W vers l’extérieur chaud. En utilisant le première principe de la thermodynamique, qui stipule:

Q _froid + W = Q _chaud ,

on obtient de la chaleur, Q _froid = 3000 W . D’après la définition: COP _{refroidissement} = 3000/1500 = 2 .

Notez que, dans cet exemple, nous avons de nombreuses hypothèses. Par exemple, nous avons supposé que la différence de température (T _chaud – T _froid ) est la même pour les deux modes. Mais nous avons échangé des réservoirs, sans aucun impact sur le COP. Ce n’est qu’un exemple illustratif.

Cycle inversé de Brayton – Cycle de réfrigération de Brayton

En général, le cycle de Brayton décrit le fonctionnement d’un moteur thermique à pression constante . Aujourd’hui, les moteurs à turbine à gaz modernes et les moteurs à réaction à respiration aérodynamique sont également des moteurs thermiques à pression constante.

Un cycle de Brayton entraîné en sens inverse est appelé cycle de Brayton inversé . Son but est de déplacer la chaleur d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, plutôt que de produire du travail. Conformément à le deuxième principe de la thermodynamique, la chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid au système chaud sans qu’un travail externe soit effectué sur le système. La chaleur peut circuler d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, mais uniquement lorsqu’elle est forcée par un travail extérieur. C’est exactement ce que les réfrigérateurs et les pompes à chaleur accomplissent. Ceux-ci sont entraînés par des moteurs électriques nécessitant un travail de leur environnement pour fonctionner. L’un des cycles possibles est un cycle de Brayton inversé, qui est similaire au cycle Brayton ordinaire mais il est entraîné en sens inverse, via une entrée de travail nette. Ce cycle est également connu sous le nom de cycle de réfrigération au gaz ou cycle de Bell Coleman. Ce type de cycle est largement utilisé dans les avions à réaction pour les systèmes de climatisation utilisant l’air des compresseurs du moteur. Il est également largement utilisé dans l’industrie du GNL où le plus grand cycle inversé de Brayton est pour le sous-refroidissement du GNL en utilisant 86 MW de puissance provenant d’un compresseur entraîné par turbine à gaz et d’un réfrigérant à l’azote.

Conductivité thermique des fluides (liquides et gaz)

En physique, un fluide est une substance qui se déforme (s’écoule) continuellement sous une contrainte de cisaillement appliquée. Les fluides sont un sous-ensemble des phases de la matière et comprennent les liquides , les gaz , les plasmas et, dans une certaine mesure, les solides plastiques. Parce que l’espacement intermoléculaire est beaucoup plus grand et que le mouvement des molécules est plus aléatoire pour l’état du fluide que pour l’état solide, le transport de l’énergie thermique est moins efficace. La conductivité thermiquedes gaz et des liquides est donc généralement plus petit que celui des solides. Dans les liquides, la conduction thermique est provoquée par diffusion atomique ou moléculaire. Dans les gaz, la conduction thermique est provoquée par la diffusion de molécules d’un niveau d’énergie supérieur au niveau inférieur.

Conductivité thermique des gaz

L’effet de la température, de la pression et des espèces chimiques sur la conductivité thermique d’un gaz peut être expliqué en termes de théorie cinétique des gaz . L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants, en l’absence de convection. Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple le polystyrène) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces, entraînant une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.

La conductivité thermique des gaz est directement proportionnelle à la densité du gaz, à la vitesse moléculaire moyenne et surtout au libre parcours moyen de la molécule. Le libre parcours moyen dépend également du diamètre de la molécule, les plus grosses molécules étant plus susceptibles de faire l’objet de collisions que les petites molécules. Il s’agit de la distance moyenne parcourue par un vecteur énergétique (une molécule) avant de subir une collision. Les gaz légers, tels que l’ hydrogène et l’ hélium, ont généralement une conductivité thermique élevée . Les gaz denses tels que le xénon et le dichlorodifluorométhane ont une faible conductivité thermique.

En général, la conductivité thermique des gaz augmente avec l’augmentation de la température.

Conductivité thermique des liquides

Comme il a été écrit, dans les liquides, la conduction thermique est causée par la diffusion atomique ou moléculaire, mais les mécanismes physiques permettant d’expliquer la conductivité thermique des liquides ne sont pas bien compris. Les liquides ont tendance à avoir une meilleure conductivité thermique que les gaz et la capacité de s’écouler en fait un liquide apte à éliminer l’excès de chaleur des composants mécaniques. La chaleur peut être évacuée en canalisant le liquide à travers un échangeur de chaleur. Les liquides de refroidissement utilisés dans les réacteurs nucléaires comprennent l’eau ou des métaux liquides, tels que le sodium ou le plomb.

La conductivité thermique des liquides non métalliques diminue généralement avec l’augmentation de la température.

Conductivité thermique

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en W / mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toutes les matières, quel que soit leur état (solide, liquide ou gaz), elle est donc également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (k _y , k _z ), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, k _x = k _y = k _z = k.

De l’équation précédente, il s’ensuit que le flux thermique de conduction augmente avec l’augmentation de la conductivité thermique et augmente avec l’augmentation de la différence de température. En général, la conductivité thermique d’un solide est supérieure à celle d’un liquide, supérieure à celle d’un gaz. Cette tendance est due en grande partie aux différences d’ espacement intermoléculaire pour les deux états de la matière. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées de tous les matériaux en vrac.

Conductivité thermique des fluides (liquides et gaz)

En physique, un fluide est une substance qui se déforme (s’écoule) continuellement sous une contrainte de cisaillement appliquée. Les fluides sont un sous-ensemble des phases de la matière et comprennent les liquides , les gaz , les plasmas et, dans une certaine mesure, les solides plastiques. Parce que l’espacement intermoléculaire est beaucoup plus grand et le mouvement des molécules est plus aléatoire pour l’état fluide que pour l’état solide, le transport d’énergie thermique est moins efficace. La conductivité thermiquedes gaz et des liquides est donc généralement plus petit que celui des solides. Dans les liquides, la conduction thermique est causée par la diffusion atomique ou moléculaire. Dans les gaz, la conduction thermique est causée par la diffusion de molécules d’un niveau d’énergie supérieur au niveau inférieur.

Conductivité thermique des gaz

L’effet de la température, de la pression et des espèces chimiques sur la conductivité thermique d’un gaz peut être expliqué en termes de théorie cinétique des gaz . L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants, en l’absence de convection. Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple le polystyrène) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces provoquant une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.

La conductivité thermique des gaz est directement proportionnelle à la densité du gaz, à la vitesse moléculaire moyenne, et surtout au libre parcours moyen de la molécule. Le libre parcours moyen dépend également du diamètre de la molécule, les grosses molécules étant plus susceptibles de subir des collisions que les petites molécules, qui est la distance moyenne parcourue par un vecteur d’énergie (une molécule) avant de subir une collision. Les gaz légers, tels que l’ hydrogène et l’ hélium, ont généralement une conductivité thermique élevée . Les gaz denses tels que le xénon et le dichlorodifluorométhane ont une faible conductivité thermique.

En général, la conductivité thermique des gaz augmente avec l’augmentation de la température.

Conductivité thermique des liquides

Comme il a été écrit, dans les liquides, la conduction thermique est causée par la diffusion atomique ou moléculaire, mais les mécanismes physiques pour expliquer la conductivité thermique des liquides ne sont pas bien compris. Les liquides ont tendance à avoir une meilleure conductivité thermique que les gaz, et la capacité de s’écouler rend un liquide approprié pour éliminer l’excès de chaleur des composants mécaniques. La chaleur peut être éliminée en canalisant le liquide à travers un échangeur de chaleur. Les liquides de refroidissement utilisés dans les réacteurs nucléaires comprennent de l’eau ou des métaux liquides, tels que le sodium ou le plomb.

La conductivité thermique des liquides non métalliques diminue généralement avec l’augmentation de la température.

Conductivité thermique des solides

Le transport de l’énergie thermique dans les solides peut être généralement dû à deux effets:

• la migration des électrons libres
• ondes vibratoires du réseau (phonons)

Lorsque les électrons et les phonons transportent de l’énergie thermique conduisant à un transfert de chaleur par conduction dans un solide, la conductivité thermique peut s’exprimer comme suit:

k = k _e + k _ph

Conductivité thermique des métaux

Les métaux sont des solides et en tant que tels, ils possèdent une structure cristalline où les ions (noyaux avec leurs enveloppes d’électrons centrales) occupent des positions équivalentes en traduction dans le réseau cristallin. Les métaux en général ont une conductivité électrique élevée , une conductivité thermique élevée et une densité élevée. En conséquence, le transport de l’énergie thermique peut être dû à deux effets:

• la migration des électrons libres
• ondes vibratoires du réseau (phonons).

Lorsque les électrons et les phonons transportent de l’énergie thermique conduisant à un transfert de chaleur par conduction dans un solide, la conductivité thermique peut s’exprimer comme suit:

k = k _e + k _ph

La caractéristique unique des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charges, en particulier les électrons . Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés . Leur contribution à la conductivité thermique est appelée conductivité thermique électronique, k _e . En fait, dans les métaux purs tels que l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium, le courant thermique associé au flux d’électrons dépasse de loin une petite contribution due au flux de phonons. En revanche, pour les alliages, la contribution de k _ph à k n’est plus négligeable.

Conductivité thermique des non-métaux

Pour les solides non métalliques , k est déterminé principalement par k _ph , qui augmente à mesure que la fréquence des interactions entre les atomes et le réseau diminue. En fait, la conduction thermique sur réseau est le mécanisme de conduction thermique dominant dans les non-métaux, sinon le seul. Dans les solides, les atomes vibrent autour de leur position d’équilibre (réseau cristallin). Les vibrations des atomes ne sont pas indépendantes les unes des autres, mais sont plutôt fortement couplées avec les atomes voisins. La régularité de l’arrangement du réseau a un effet important sur le k _ph , avec des matériaux cristallins (bien ordonnés) comme le quartzayant une conductivité thermique plus élevée que les matériaux amorphes comme le verre. A des températures suffisamment élevées k _ph ∝ 1 / T.

Les quanta du champ vibratoire cristallin sont appelés « phonons ». Un phonon est une excitation collective dans un arrangement élastique et périodique d’atomes ou de molécules dans la matière condensée, comme les solides et certains liquides. Les phonons jouent un rôle majeur dans de nombreuses propriétés physiques de la matière condensée, comme la conductivité thermique et la conductivité électrique. En fait, pour les solides cristallins non métalliques tels que le diamant, k _ph peut être assez grand, dépassant les valeurs de k associées à de bons conducteurs, comme l’aluminium. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées (k = 1000 W / mK) de tous les matériaux en vrac.

Conductivité thermique du dioxyde d’uranium

La plupart des REP utilisent le combustible d’uranium , qui est sous forme de dioxyde d’uranium . Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique . En revanche, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et a un comportement bien connu . L’UO2 est pressé en pastilles , ces pastilles sont ensuite frittées dans le solide.

Ces pastilles sont ensuite chargés et encapsulés dans une barre de combustible (ou aiguille de combustible), qui est constitué d’alliages de zirconium en raison de sa très faible absorption section transversale (contrairement à l’acier inoxydable). La surface du tube, qui recouvre les pastilles, est appelée gaine de combustible . Les crayons combustibles sont l’élément de base d’un assemblage combustible.

La conductivité thermique du dioxyde d’uranium est très faible par rapport à l’uranium métallique, le nitrure d’uranium, le carbure d’uranium et le matériau de revêtement en zirconium. La conductivité thermique est l’un des paramètres qui déterminent la température centrale du carburant . Cette faible conductivité thermique peut entraîner une surchauffe localisée dans la ligne centrale du carburant et, par conséquent, cette surchauffe doit être évitée. La surchauffe du carburant est évitée en maintenant le taux de chaleur linéaire de pointe (LHR) en régime permanent ou le facteur de canal chaud du flux de chaleur – F _Q (z)en dessous du niveau auquel la fusion de la ligne centrale du carburant se produit. L’expansion de la pastille de combustible lors de la fusion de la ligne médiane peut amener la pastille à solliciter le revêtement jusqu’au point de défaillance.

La conductivité thermique de l’UO ₂ solide avec une densité de 95% est estimée en suivant la corrélation [Klimenko; Zorin]:

où τ = T / 1000. L’incertitude de cette corrélation est de + 10% dans l’intervalle de 298,15 à 2000 K et de + 20% dans l’intervalle de 2000 à 3120 K.

Référence spéciale: Centrales thermiques et nucléaires / Manuel éd. par AV Klimenko et VM Zorin. MEI Press, 2003.

Référence spéciale: Propriétés thermophysiques des matériaux pour le génie nucléaire: un tutoriel et la collecte de données. IAEA-THPH, AIEA, Vienne, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Conductivité thermique du zirconium

Le zirconium est un métal de transition solide, gris-blanc brillant, qui ressemble à l’hafnium et, dans une moindre mesure, au titane. Le zirconium est principalement utilisé comme réfractaire et opacifiant, bien que de petites quantités soient utilisées comme agent d’alliage pour sa forte résistance à la corrosion. L’alliage de zirconium (par exemple Zr + 1% Nb) est largement utilisé comme revêtement pour les combustibles des réacteurs nucléaires. Les propriétés souhaitées de ces alliages sont une faible section efficace de capture des neutrons et une résistance à la corrosion dans des conditions de service normales. Les alliages de zirconium ont une conductivité thermique plus faible (environ 18 W / mK) que le zirconium métallique pur (environ 22 W / mK).

Référence spéciale: Propriétés thermophysiques des matériaux pour le génie nucléaire: un tutoriel et la collecte de données. IAEA-THPH, AIEA, Vienne, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Conduction thermique – Conduction thermique

La conduction thermique , également appelée conduction thermique , se produit dans un corps ou entre deux corps en contact sans implication de flux de masse et de mélange. C’est l’échange microscopique direct de l’énergie cinétique des particules à la frontière entre deux systèmes. Le transfert de chaleur par conduction dépend de la «force» motrice de la différence de température et de la conductivité thermique (ou de la résistance au transfert de chaleur). La conductivité thermique dépend de la nature et des dimensions du caloporteur. Tous les problèmes de transfert de chaleur impliquent la différence de température , la géométrieet les propriétés physiques de l’objet étudié. Dans les problèmes de transfert de chaleur en conduction, l’objet étudié est généralement un solide.

Microscopiquement, ce mode de transfert d’énergie est attribué au flux d’électrons libres des niveaux d’énergie supérieurs à inférieurs, aux vibrations du réseau et aux collisions moléculaires . Considérons un bloc de pierre  à haute température, constitué d’atomes oscillant intensément autour de leurs positions moyennes. À basse température , les atomes continuent à osciller, mais avec moins d’intensité .Si un bloc de pierre plus chaud est mis en contact avec un bloc plus froid, les atomes qui oscillent intensément au bord du bloc plus chaud dégagent son énergie cinétique aux atomes les moins oscillants situés au bord du bloc froid. Dans ce cas, il y a transfert d’énergie entre ces deux blocs et la chaleur circule du bloc le plus chaud au bloc le plus froid par ces vibrations aléatoires. La vision moderne consiste à attribuer le transfert d’énergie aux ondes de réseau induites par le mouvement atomique. Dans un isolant électrique, le transfert d’énergie se fait exclusivement via ces ondes de réseau. Dans un conducteur, cela est également dû au mouvement de translation des électrons libres.

Voir aussi: Loi Zéroth de la thermodynamique

En général, les métaux sont généralement de bons conducteurs d’ énergie thermique . Il est étroitement associé à sa bonne conductivité électrique . Pour les métaux, la conductivité thermique est assez élevée et les métaux qui sont les meilleurs conducteurs électriques sont également les meilleurs conducteurs thermiques. Cela est dû à la manière dont les métaux se lient chimiquement. Les liaisons métalliques ont des électrons en mouvement libre ( électrons libres) qui transfèrent rapidement l’énergie thermique à travers le métal. Le fluide électronique d’un solide métallique conducteur conduit la majeure partie du flux de chaleur à travers le solide. Le flux de phonons est toujours présent mais transporte moins d’énergie. Ces mécanismes de conduction thermique seront discutés plus tard.

Loi de Fourier sur la conduction thermique

Les processus de transfert de chaleur peuvent être quantifiés en termes d’équations de taux appropriées. L’équation de vitesse dans ce mode de transfert de chaleur est basée sur la loi de Fourier de conduction thermique . Cette loi stipule que le temps de transfert de chaleur à travers un matériau est proportionnel au gradient négatif de la température et à la surface, perpendiculairement à ce gradient, à travers lequel la chaleur circule. Sa forme différentielle est:

La constante de proportionnalité obtenu dans la relation est connue comme la conductivité thermique , k (ou λ ), de la matière. Un matériau qui transfère facilement de l’énergie par conduction est un bon conducteur thermique et a une valeur élevée de k . La loi de Fourier est une expression qui définit la conductivité thermique .

Comme on peut le voir, pour résoudre la loi de Fourier, nous devons impliquer la différence de température, la géométrie et la conductivité thermique de l’objet. Cette loi a été formulée pour la première fois par Joseph Fourier en 1822 qui a conclu que « le flux de chaleur résultant de la conduction thermique est proportionnel à l’amplitude du gradient de température et opposé à celui-ci en signe ».

De même que la loi de Fourier détermine le flux de chaleur à travers une dalle, elle peut également être utilisée pour déterminer la différence de température, lorsque q est connu. Ceci peut être utilisé pour le calcul de la température au centre de la pastille de combustible comme cela sera montré dans les sections suivantes.