Qu’est-ce que l’ébullition et la condensation – Définition

L’ enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.

Chaleur latente de vaporisation – eau à 0,1 MPa (pression atmosphérique)

h _lg = 2257 kJ / kg

Chaleur latente de vaporisation – eau à 3 MPa (pression à l’intérieur d’un générateur de vapeur)

h _lg = 1795 kJ / kg

Chaleur latente de vaporisation – eau à 16 MPa (pression à l’intérieur d’un pressuriseur )

h _lg = 931 kJ / kg

La chaleur de vaporisation 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 dû à 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 élevésque ceux rencontrés dans d’autres formes de processus de convection qui impliquent une seule phase.

Cela est dû au fait que, même en écoulement turbulent , il existe une couche de film fluide stagnant (sous-couche laminaire), qui isole la surface de l’échangeur de chaleur. Cette couche de film fluide stagnant joue un rôle crucial pour le coefficient de transfert de chaleur convectif. On observe que le fluide s’arrête complètement à la surface et prend une vitesse nulle par rapport à la surface. Ce phénomène est connu sous le nom de condition antidérapante et donc, à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction. Mais dans les couches suivantes, il se produit à la fois un mouvement de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé. Comme il a été écrit,l’ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et, par conséquent, l’ébullition nucléée augmente considérablement la capacité d’une surface à transférer de l’énergie thermique au fluide en vrac.

Point d’ébullition – Saturation

En thermodynamique, le terme  saturation  définit une condition dans laquelle un mélange de vapeur et de liquide peut exister ensemble à une température et une pression données. La température à laquelle la  vaporisation  (ébullition) commence à se produire pour une pression donnée est appelée  température de saturation  ou  point d’ébullition . La pression à laquelle la vaporisation (ébullition) commence à se produire pour une température donnée est appelée pression de saturation.

Lorsque la qualité de la vapeur est égale à 0, elle est appelée  état liquide saturé  (monophasé). En revanche, lorsque la qualité de la vapeur est égale à 1, elle est appelée état de vapeur saturée  ou  vapeur sèche  (monophasée). Entre ces deux états, on parle de  mélange vapeur-liquide  ou  vapeur humide  (mélange diphasique). À pression constante, un apport d’énergie ne modifie pas la température du mélange, mais la qualité de la  vapeur  et le volume spécifique changent. 

Saturation 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. D’autre part, les radiateurs électriques immergés sont conçus pour augmenter la pression par  évaporation de l’eau  dans le récipient. 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.

Faire bouillir dans le générateur de vapeur

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 . La vapeur produite entraîne la turbine. Ils sont utilisés dans la plupart des centrales nucléaires, mais il en existe de nombreux types selon le  type de réacteur .

Le liquide de refroidissement primaire chaud ( eau 330 ° C; 626 ° F; 16 MPa ) est pompé dans  le générateur de vapeur  par l’entrée primaire. Une haute pression de liquide de refroidissement primaire est utilisée pour maintenir l’eau à l’état liquide. L’ébullition du liquide de refroidissement primaire ne doit pas se produire.  L’eau liquide s’écoule à travers des centaines ou des milliers de tubes (généralement 1,9 cm de diamètre) à l’intérieur du générateur de vapeur. L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée de  ~ 260 ° C 500 ° F  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 sous pression quitte le générateur de vapeur par une sortie de vapeur et continue vers la turbine à vapeur. Le transfert de chaleur se fait sans mélanger les deux fluides pour éviter que le fluide caloporteur secondaire ne devienne radioactif. Le liquide de refroidissement primaire quitte  (eau 295 ° C; 563 ° F; 16 MPa)  le générateur de vapeur par la sortie primaire et continue à travers une jambe froide jusqu’à  une pompe de refroidissement du réacteur  , puis dans le réacteur.

Condensation dans le 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. 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.

Pour maintenir les paramètres à l’intérieur du condenseur (0,008 MPa et 41,5 ° C), l’  eau  de refroidissement du système de refroidissement doit être suffisamment froide et il ne doit pas y avoir de grande différence de température entre la température de l’eau de sortie et de l’entrée, donc le débit à travers le système de refroidissement doit être très haut. Le débit à travers le système de refroidissement (avec tours de refroidissement humides) peut atteindre 100 000 m3 / h (27,7 m3 / s). L’eau d’entrée du condenseur peut avoir environ 22 ° C (fortement en fonction des conditions ambiantes), tandis que la sortie du condenseur peut avoir environ 25 ° C. Les systèmes de refroidissement à l’eau de mer fonctionnent à des débits plus élevés, par exemple 130 000 m3 / h.