Le cycle de Rankine, utilisé dans les centrales électriques, transforme la chaleur en travail mécanique grâce à des étapes d’échauffement, d’expansion, de condensation et de compression.
Comment le cycle de Rankine convertit la chaleur en travail
Le cycle de Rankine est un modèle thermodynamique largement utilisé dans les systèmes de production d’énergie, comme les centrales électriques. Ce cycle permet de convertir l’énergie thermique en travail mécanique, qui peut ensuite être transformé en électricité. Le cycle de Rankine se compose de quatre étapes principales : l’échauffement, l’expansion, la condensation et la compression.
1. Échauffement
Dans la première étape du cycle de Rankine, un fluide de travail (souvent de l’eau) est chauffé dans une chaudière pour devenir de la vapeur. Cette vapeur est chauffée à haute pression et haute température. En général, on peut représenter cette étape par la transformation isobare (à pression constante).
2. Expansion
La vapeur surchauffée entre ensuite dans une turbine où elle se détend. Cette détente est une transformation adiabatique, pendant laquelle la pression et la température de la vapeur diminuent, tandis que son volume augmente. L’énergie de la vapeur est convertie en travail mécanique par la turbine, qui peut ensuite être utilisée pour générer de l’électricité.
3. Condensation
Après avoir traversé la turbine, la vapeur maintenant à basse pression entre dans un condenseur. Dans cet échangeur de chaleur, la vapeur est refroidie et condensée en eau liquide. Cette transformation est également isobare.
4. Compression
La dernière étape du cycle de Rankine consiste à pomper l’eau liquide condensée à haute pression à l’aide d’une pompe. Ce processus est une transformation adiabatique et prépare l’eau pour un nouveau cycle de chauffage dans la chaudière. À ce stade, l’eau est de nouveau prête à être chauffée pour recommencer le cycle.
Équations du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine peut être analysé à l’aide de plusieurs équations thermodynamiques, particulièrement celles relatives aux transformations isobares et adiabatiques.
- Énergie fournie au fluide de travail : \( Q_{in} = m * (h_{3} – h_{2}) \)
- Travail produit par la turbine : \( W_{turb} = m * (h_{4} – h_{3}) \)
- Énergie rejetée dans le condenseur : \( Q_{out} = m * (h_{4} – h_{1}) \)
- Travail de la pompe : \( W_{pump} = m * (h_{2} – h_{1}) \)
- Rendement thermique : \( \eta = \frac{W_{turb} – W_{pump}}{Q_{in}} \)
Conclusion
Le cycle de Rankine est un mécanisme performant et efficace pour convertir la chaleur en travail à travers un ensemble de transformations thermodynamiques spécifiques. Il est fondamental pour comprendre les principes de base des centrales électriques à vapeur et reste un pilier central des systèmes de production d’énergie. En maîtrisant ce cycle, il est possible d’améliorer l’efficacité énergétique et les performances des systèmes applicables.
