Condensation
Source: wikipedia.org CC BY-SA
De la même manière que dans le chapitre précédent, nous discuterons dans ce chapitre du transfert de chaleur avec changement de phase, mais dans ce cas, nous discuterons de la condensation de la phase gazeuse (changement de phase vapeur-liquide).
En général, la condensation est le changement de l’état physique de la matière d’une phase gazeuse à une phase liquide et est l’ inverse de la vaporisation . Les processus d’écoulement associés à la condensation sur une surface solide sont presque une image miroir de ceux impliqués dans l’ébullition. La condensation se produit lorsque la température d’une vapeur est abaissée au-dessous de sa température de saturation ou lorsque la pression d’une vapeur est augmentée au-dessus de ses paramètres de saturation (voir le diagramme de phases de l’eau).
Pour la condensation, les effets de la chaleur latente associés au changement de phase sont significatifs, de la même manière que pour l’ébullition, mais en sens inverse. Notons que l’ enthalpie de condensation (ou chaleur de condensation ) est par définition égale à l’enthalpie de vaporisation de signe opposé. La chaleur latente est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement de phase. Lors de la vaporisation, cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion du gaz (le travail pΔV ). Lorsque de la chaleur latente est ajoutée ou supprimée, aucun changement de température ne se produit. L’enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.
Chaleur latente de condensation – eau à 0,1 MPa (pression atmosphérique)
h lg = – 2257 kJ / kg
Chaleur latente de condensation – eau à 3 MPa
h lg = – 1795 kJ / kg
Chaleur latente de condensation – eau à 16 MPa (pression à l’intérieur d’un pressuriseur )
h lg = – 931 kJ / kg
La chaleur de condensation diminue avec l’augmentation de la pression, tandis que le point d’ébullition augmente. Elle disparaît complètement à un certain point appelé le point critique . Au-dessus du point critique, les phases liquide et vapeur sont indiscernables et la substance est appelée fluide supercritique .
Le passage du liquide à l’état de vapeur en raison de l’ébullition est soutenu par le transfert de chaleur de la surface solide; à l’inverse, la condensation d’une vapeur à l’état liquide entraîne un transfert de chaleur vers la surface solide. L’ébullition et la condensation diffèrent des autres formes de convection en ce qu’elles dépendent de la chaleur latente de vaporisation, qui est très élevée pour les pressions courantes, donc de grandes quantités de chaleur peuvent être transférées pendant l’ébullition et la condensation essentiellement à température constante . Les coefficients de transfert de chaleur , h, associés à l’ébullition et à la condensation sont généralement beaucoup plus élevés que ceux rencontrés dans d’autres formes de processus de convection qui impliquent une seule phase.
Modes de condensation – Types de condensation
D’un point de vue technique pratique, la condensation peut être classée selon plusieurs critères .
En général, trois formes distinctes de condensation sont observées:
- Condensation de film . Dans la condensation du film , le condensat mouille la surface et forme à la surface un film liquide qui glisse sous l’influence de la gravité. La condensation du film entraîne de faibles taux de transfert de chaleur car le film de condensat entrave le transfert de chaleur. L’épaisseur du film formé dépend de nombreux paramètres, notamment l’orientation de la surface, la viscosité, le taux de condensation, etc. Le film augmente la résistance thermique au flux de chaleur entre la surface et la vapeur. Le taux de transfert de chaleur est réduit du fait de cette résistance.
- Condensation goutte à goutte . Dans la condensation goutte à goutte, la vapeur condensée forme des gouttelettes sur la surface au lieu d’un film continu. Une condensation goutte à goutte peut se produire lorsque la surface n’est pas mouillante ou que ces gouttelettes sont retirées de la surface par écoulement externe ou par gravité. La vapeur est en contact direct avec la surface sur la majeure partie de la zone et les taux de transfert de chaleur sont beaucoup plus élevés (plus de 3 à 10 fois plus élevés) car il y a très peu de résistance au flux de chaleur entre la vapeur et la surface. Les gouttelettes se développent aux sites de nucléation (points d’imperfections de surface telles que fosse, égratignure et cavités), et grossissent à mesure que plus de vapeur se condense sur sa surface exposée. Pour les condenseurs à vapeur, il est courant d’utiliser des revêtements de surface (silicones, téflons ou cires) qui inhibent le mouillage, et donc stimulent la condensation goutte à goutte. Mais les revêtements perdent progressivement leur efficacité en raison de l’élimination, de l’oxydation, etc. En pratique, aucune surface ne se révèle non mouillante sur une durée quelconque. Étant donné que dans la plupart des applications d’ingénierie, il est souvent difficile de maintenir cette condition, il n’est pas recommandé d’utiliser la valeur des coefficients de transfert de chaleur en supposant une condensation goutte à goutte à des fins de conception.
- Condensation par contact direct. La condensation par contact direct, DCC, se produit lorsque la vapeur est mise en contact avec un liquide froid. Comme dans les condenseurs à jet, l’eau de refroidissement est pulvérisée sur la vapeur d’échappement et il y a un contact direct entre la vapeur d’échappement et l’eau de refroidissement. Le processus de condensation est très rapide et efficace, mais ici l’eau de refroidissement et la vapeur condensée sont mélangées. Les avantages de la condensation par contact direct par rapport aux procédés conventionnels utilisant des surfaces de transfert métalliques sont dus à la relative simplicité de conception, à moins de problèmes de corrosion et d’entartrage, à des coûts de maintenance réduits, à des zones de transfert spécifiques plus élevées et à des taux de transfert plus élevés. Malgré ces avantages, les condenseurs à jet ne sont pas habituels dans les centrales thermiques, notamment en raison de la perte de condensats .
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Condensation dans les centrales électriques – Condensateur principal
Le système de condenseur de vapeur principal (MC) est conçu pour condenser et désaérer la vapeur d’échappement de la turbine principale et fournir un dissipateur de chaleur pour le système de dérivation de la turbine. La vapeur d’échappement des turbines BP est condensée en passant sur des tubes contenant de l’eau du système de refroidissement. Il y a un condenseur principal sous chaque turbine BP , généralement sous la turbine avec son axe perpendiculaire à l’axe de la turbine. Comme les centrales nucléaires contiennent généralement également un condenseur auxiliaire (par exemple pour condenser la vapeur des pompes à eau d’alimentation à vapeur), les ingénieurs utilisent le terme « condenseur principal ».
Voir aussi: Condenseur principal
Le condenseur doit maintenir un vide suffisamment bas pour augmenter l’efficacité de la centrale. Les pompes à vide maintiennent un vide suffisant dans le condenseur en extrayant l’air et les gaz non condensés. 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 proviennent 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.
Les condenseurs à vapeur sont généralement classés en deux types:
- Condensateurs de surface (ou condenseurs sans mélange). Dans les condenseurs de surface, il n’y a pas de contact direct entre la vapeur d’échappement et l’eau de refroidissement.
- Condensateurs à jet (ou condenseurs à mélange). Dans les condenseurs à jet, il y a un contact direct entre la vapeur d’échappement et l’eau de refroidissement.
Condensation dans le pressuriseur
Un pressuriseur est un composant d’un réacteur à eau sous pression . La pression dans le circuit primaire des REP est maintenue par un pressuriseur , un récipient séparé qui est connecté au circuit primaire (jambe chaude) et partiellement rempli d’eau qui est chauffée à la température de saturation (point d’ébullition) pour la pression désirée par une alimentation électrique immergée radiateurs. La température dans le pressuriseur peut être maintenue à 350 ° C (662 ° F), ce qui donne une marge de sous-refroidissement (la différence entre la température du pressuriseur et la température la plus élevée dans le cœur du réacteur) de 30 ° C. La marge de sous-refroidissement est un paramètre de sécurité très important des REP, car l’ébullition dans le cœur du réacteur doit être exclue. La conception de base du réacteur à eau sous pression comprend une telle exigence que le liquide de refroidissement (eau) dans le système de refroidissement du réacteur ne doit pas bouillir. Pour ce faire, le liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur est maintenu à une pression suffisamment élevée pour que l’ébullition ne se produise pas aux températures de refroidissement rencontrées pendant le fonctionnement de l’installation ou dans un transitoire analysé.
Les fonctions
La pression dans le pressuriseur est contrôlée en faisant varier la température du liquide de refroidissement dans le pressuriseur. À ces fins, deux systèmes sont installés. Système de pulvérisation d’eau et système de radiateurs électriques . Le volume du pressuriseur (dizaines de mètres cubes) est rempli d’eau sur les paramètres de saturation et de vapeur. Le système de pulvérisation d’eau (eau relativement froide – provenant d’une jambe froide) peut réduire la pression dans le récipient en condensant la vapeur sur les gouttelettes d’eau pulvérisées dans le récipient. Puisque la vapeur est mise en contact avec un liquide froid, dans ce cas, nous parlons de condensation par contact direct . D’autre part, les radiateurs électriques immergés sont conçus pour augmenter la pression par évaporation de l’eau dans le navire. La pression de l’eau dans un système fermé suit directement la température de l’eau; à mesure que la température augmente, la pression augmente.
Condensation dans le bâtiment de confinement
En cas d’accidents de conception tels que l’accident de grande perte de rupture du liquide de refroidissement (LBLOCA), l’augmentation de pression est généralement importante et des systèmes de confinement actifs ( systèmes de suppression de pression ) doivent être disponibles afin de maintenir l’intégrité (pour maintenir la pression et la température). sous certaines limites) du bâtiment de confinement .
Les systèmes de suppression de pression sont essentiels à la sécurité et affectent considérablement la taille du confinement. La suppression fait référence à la condensation de la vapeur après qu’une rupture importante l’a libérée du système de refroidissement. Il existe de nombreuses conceptions de systèmes de suppression dans le monde.
La plupart des enceintes de réacteurs à eau sous pression (REP) utilisent des systèmes de suppression de pression à deux étages:
- Système de refroidissement par ventilateur . Ce système fait circuler l’air à travers des échangeurs de chaleur et des filtres pour assurer le refroidissement de l’atmosphère de confinement. Étant donné que ce système n’est pas suffisant pour la suppression lors de graves accidents de perte de liquide de refroidissement, le système de pulvérisation de confinement doit être disponible comme système de suppression de pression active secondaire.
- Système de pulvérisation de confinement . Ce système se compose généralement de trois éléments:
- Pompe de système de pulvérisation
- Réservoir du système de pulvérisation
- Anneaux et buses du système de pulvérisation
Lorsqu’une augmentation de pression à l’intérieur de l’enceinte de confinement est indiquée, le système de pulvérisation de confinement démarre automatiquement et les pompes (généralement avec une redondance de 3 × 100%) aspirent du réservoir (le réservoir de stockage d’eau de ravitaillement peut également être utilisé) et pompent l’eau dans des buses de pulvérisation situé dans la partie supérieure de l’enceinte de confinement. Les gouttelettes d’eau, plus froides que la vapeur, élimineront la chaleur de la vapeur, ce qui entraînera la condensation de la vapeur. Cela entraînera une réduction de la pression du bâtiment et réduira également la température de l’atmosphère de confinement. Le système de pulvérisation contient généralement des additifs chimiques supplémentaires dissous dans le réservoir pour améliorer l’élimination de radionucléides particuliers de l’atmosphère de confinement. Surtout l’iode radioactif, qui est d’une importance particulière,
La plupart des enceintes de réacteurs à eau bouillante ( REB) utilisent des bassins de suppression de pression afin de maintenir l’intégrité du bâtiment de confinement. Les principaux modèles de confinement sont les Mark I, Mark II et Mark III. Les enceintes Mark I et Mark II se composent de deux parties principales:
- Drywell . Un puits sec abrite le système de refroidissement du réacteur.
- Wetwell . Un puits est une chambre de suppression, qui stocke une grande masse d’eau et est donc communément appelée piscine de suppression.
Les systèmes de pulvérisation d’eau sont généralement installés à la fois dans le puits sec et le puits. La conception Mark III se compose d’un confinement primaire et d’un puits sec.
Les bâtiments de confinement et les systèmes de suppression de pression de confinement varient considérablement selon la conception de certains réacteurs. Dans certains cas, des technologies vraiment uniques peuvent être installées. Par exemple, le bâtiment de confinement de la centrale nucléaire de Loviisa utilise deux condenseurs à glace comme système de suppression de pression.
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