Qu’est-ce que l’efficacité thermique du cycle de Rankine – Définition

Efficacité thermique du cycle de Rankine

Le cycle de Rankine décrit de manière détaillée les processus des moteurs thermiques à vapeur généralement utilisés dans la plupart des centrales thermiques . Les sources de chaleur utilisées dans ces centrales sont généralement la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz naturel ou encore la fission nucléaire .

Une centrale nucléaire (centrale nucléaire) ressemble à une centrale thermique standard à une exception près. La source de chaleur dans la centrale nucléaire est un réacteur nucléaire . Comme il est typique dans toutes les centrales thermiques conventionnelles, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité.

En règle générale la plupart des centrales nucléaires fonctionne à condensation des turbines à vapeur à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est une vapeur presque saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) provenant d’un générateur de vapeur et l’échappement vers le séparateur-réchauffeur d’humidité (point D ). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter des dommages pouvant être causés aux aubes de turbine à vapeur par de la vapeur de qualité inférieure . Le réchauffeur réchauffe la vapeur (point D), qui est ensuite dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (points 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 de0,008 MPa ) et se trouve dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité voisine de 90%.

Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations de rendement imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans des cas idéaux (pas de friction, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de

= 1 – T _froid / T _chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

lorsque la température du réservoir d’eau chaude est de 275,6 ° C (548,7K), la température du réservoir d’eau froide est de 41,5 ° C (314,7K). Mais la centrale nucléaire est le véritable moteur thermique , dans lequel les processus thermodynamiques sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique et des pertes de chaleur entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.

Pour calculer l’ efficacité thermique du cycle de Rankine le plus simple (sans réchauffage), les ingénieurs utilisent le premier principe de la thermodynamique en termes d’enthalpie plutôt qu’en termes d’énergie interne.

La première loi en matière d’enthalpie est:

dH = dQ + Vdp

Dans cette équation, le terme Vdp est un travail de processus de flux. Ce travail,   Vdp , est utilisé pour des systèmes à flux ouvert comme une turbine ou une pompe dans lesquels il existe un «dp» , c’est-à-dire un changement de pression. Il n’y a aucun changement dans le volume de contrôle . Comme on peut le constater, cette forme de loi simplifie la description du transfert d’énergie . À pression constante , le changement d’enthalpie est égal à l’ énergie transférée de l’environnement par le chauffage:

Processus isobare (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

À entropie constante , c’est-à-dire dans un processus isentropique, le changement d’enthalpie est égal au travail de processus d’écoulement effectué sur ou par le système:

Processus isentropique (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Il est évident, il sera très utile dans l’analyse des deux cycles thermodynamiques utilisés en génie énergétique, c’est-à-dire dans le cycle de Brayton et le cycle de Rankine.

L’ enthalpie peut être transformée en une variable intensive ou spécifique , en la divisant par la masse . Les ingénieurs utilisent l’ enthalpie spécifique dans l’analyse thermodynamique plus que l’enthalpie elle-même. Il est tabulé dans les tableaux de vapeur avec un volume spécifique et une énergie interne spécifique . L’efficacité thermique d’un tel cycle de Rankine simple et en termes d’enthalpies spécifiques serait:

C’est une équation très simple et pour déterminer l’efficacité thermique, vous pouvez utiliser les données des tables de vapeur .

Dans les centrales nucléaires modernes, le rendement thermique global est d’environ un tiers (33%), de sorte que 3000 MWth d’énergie thermique provenant de la réaction de fission sont nécessaires pour générer 1000 MWe d’énergie électrique. La raison en est la température de vapeur relativement basse ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Des rendements plus élevés peuvent être atteints en augmentant la températurede la vapeur. Mais cela nécessite une augmentation des pressions à l’intérieur des chaudières ou des générateurs de vapeur. Cependant, des considérations métallurgiques imposent des limites supérieures à ces pressions. Par rapport à d’autres sources d’énergie, le rendement thermique de 33% n’est pas beaucoup. Mais il faut noter que les centrales nucléaires sont beaucoup plus complexes que les centrales à combustibles fossiles et qu’il est beaucoup plus facile de brûler des combustibles fossiles que de produire de l’énergie à partir de combustibles nucléaires. Les centrales électriques à combustibles fossiles sous-critiques, qui fonctionnent sous une pression critique (c’est-à-dire inférieure à 22,1 MPa), peuvent atteindre une efficacité de 36 à 40%.