Qu’est-ce que l’efficacité thermique d’une turbine à vapeur – Définition

L’efficacité thermique de la turbine à vapeur a tendance à augmenter lorsque la température moyenne à laquelle de l’énergie est ajoutée par transfert de chaleur augmente. Efficacité thermique de la turbine à vapeur

Efficacité thermique de la turbine à vapeur

En général , le rendement thermique , η e , d’un moteur thermique est définie comme étant le rapport entre le travail qu’elle fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q H .formule d'efficacité thermique - 1

Le rendement thermique , η e , représente la fraction de la chaleur , H , qui est converti au travail . Etant donné que l’ énergie est conservée en fonction de la première loi de la thermodynamique et de l’ énergie ne peut pas être converties pour fonctionner complètement, l’apport de chaleur, Q H , doit être égal au travail effectué, W, ainsi que la chaleur qui doit être dissipée sous forme de chaleur perdue Q C dans le environnement. Par conséquent, nous pouvons réécrire la formule pour l’efficacité thermique comme suit:

formule d'efficacité thermique - 2

C’est une formule très utile, mais nous exprimons ici l’efficacité thermique en utilisant le première principe en termes d’ enthalpie .

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), d’une qualité proche de 90%.

Cycle de Rankine - Diagramme Ts
Cycle de Rankine – Diagramme Ts
Turbine à vapeur de 3000MWth PWR typique
Schéma d’une turbine à vapeur d’un REP typique de 3000 MWth.
Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes à eau d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations d’efficacité imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans le cas idéal (pas de frottement, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de= 1 – T froid / T chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

où la température du réservoir chaud est de 275,6 ° C (548,7 K), la température du réservoir froid est de 41,5 ° C (314,7 K). 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 d’autres pertes d’efficacité.

Pour calculer l’ efficacité thermique du cycle de Rankine le plus simple (sans réchauffage), les ingénieurs utilisent la première loi 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 d’écoulement. Ce travail,   Vdp , est utilisé pour des systèmes à flux ouvert comme une turbine ou une pompe dans lesquels il y a 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 voir, 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:

efficacité thermique du cycle de Rankine

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

Takaishi, Tatsuo;  Numata, Akira;  Nakano, Ryouji;  Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008).
Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008). «Approche des moteurs diesel et à gaz à haut rendement» (PDF). Revue technique Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Récupéré le 04/02/2011.

Efficacité thermique de la turbine à 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%.

Causes d’inefficacité

Comme cela a été discuté, une efficacité peut varier entre 0 et 1. Chaque moteur thermique est en quelque sorte inefficace. Cette inefficacité peut être attribuée à trois causes.

  • Irréversibilité des processus . Il existe une limite supérieure théorique globale à l’efficacité de la conversion de la chaleur pour fonctionner dans n’importe quel moteur thermique. Cette limite supérieure est appelée efficacité Carnot . Selon le principe Carnot , aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs haute température et basse température. Par exemple, lorsque le réservoir chaud a T chaud de 400 ° C (673 K) et T froid d’environ 20 ° C (293 K), l’efficacité maximale (idéale) sera: = 1 – T froid / T chaud = 1 – 293 / 673 = 56%. Mais tous les processus thermodynamiques réels sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Par conséquent, les moteurs thermiques doivent avoir des rendements inférieurs aux limites de leur rendement en raison de l’irréversibilité inhérente du cycle du moteur thermique qu’ils utilisent.
  • Présence de friction et de pertes de chaleur. Dans les systèmes thermodynamiques réels ou dans les moteurs thermiques réels, une partie de l’inefficacité globale du cycle est due aux pertes des composants individuels. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique , des pertes de chaleur et des pertes dans le processus de combustion entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.
  • Inefficacité de la conception . Enfin, la dernière et aussi importante source d’inefficacité provient des compromis faits par les ingénieurs lors de la conception d’un moteur thermique (par exemple une centrale électrique). Ils doivent tenir compte des coûts et d’autres facteurs dans la conception et le fonctionnement du cycle. À titre d’exemple, considérons la conception du condenseur dans les centrales thermiques. 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.

Amélioration de l’efficacité thermique – Turbine à vapeur

Il existe plusieurs méthodes, comment améliorer l’efficacité thermique du cycle de Rankine. En supposant que la température maximale est limitée par la pression à l’intérieur de l’enceinte sous pression du réacteur, ces méthodes sont les suivantes:

  • Pressions des chaudières et des condenseurs
  • Surchauffe et réchauffage
  • Régénération de chaleur
  • Cycle de Rankine supercritique

Efficacité isentropique – Turbine, pompe

Dans les chapitres précédents, nous avons supposé que l’expansion de la vapeur est isentropique et nous avons donc utilisé T 4, soit  la température de sortie du gaz. Ces hypothèses ne sont applicables qu’avec des cycles idéaux.

La plupart des appareils à débit constant (turbines, compresseurs, buses) fonctionnent dans des conditions adiabatiques, mais ils ne sont pas vraiment isentropiques mais sont plutôt idéalisés comme isentropiques à des fins de calcul. Nous définissons les paramètres η T ,  η P , η N , comme un rapport entre le travail réel effectué par appareil et le travail par appareil lorsqu’il est utilisé dans des conditions isentropiques (dans le cas d’une turbine). Ce rapport est connu sous le nom d’ efficacité turbine isentropique / pompe / buse . Ces paramètres décrivent l’efficacité avec laquelle une turbine, un compresseur ou une buse se rapproche d’un dispositif isentropique correspondant. Ce paramètre réduit l’efficacité globale et le rendement de travail. Pour les turbines, la valeur de η T est généralement de 0,7 à 0,9 (70–90%).

Voir aussi: Processus isentropique

Efficacité isentropique - turbine - pompe

Compression isentropique vs adiabatique

Expansion isentropique vs adiabatique
Le processus isentropique est un cas particulier des processus adiabatiques. Il s’agit d’un processus adiabatique réversible. Un processus isentropique peut également être appelé un processus d’entropie constante.

Turbine à vapeur – problème avec la solution

Cycle de RankineSupposons le cycle de Rankine , qui est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants dans les centrales thermiques. Dans ce cas, supposons un cycle simple sans réchauffage et sans avec turbine à vapeur à condensation fonctionnant à la vapeur saturée  (vapeur sèche). Dans ce cas, la turbine fonctionne à l’état stable avec des conditions d’entrée de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (point 3). La vapeur sort de cet étage de turbine à une pression de 0,008 MPa, 41,5 ° C et x = ??? (point 4).

Calculer:

  1. la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie
  2. la différence d’enthalpie entre ces deux états (3 → 4), ce qui correspond au travail effectué par la vapeur, W T .
  3. la différence d’enthalpie entre ces deux états (1 → 2), qui correspond au travail effectué par les pompes, W P .
  4. la différence d’enthalpie entre ces deux états (2 → 3), qui correspond à la chaleur nette ajoutée dans le générateur de vapeur
  5. l’efficacité thermodynamique de ce cycle et comparer cette valeur avec l’efficacité de Carnot

1)

Comme nous ne connaissons pas la qualité exacte de la vapeur de la vapeur de sortie, nous devons déterminer ce paramètre. L’état 4 est fixé par la pression 4 = 0,008 MPa et le fait que l’ entropie spécifique est constante pour l’expansion isentropique (s 3 = s 4 = 5,89 kJ / kgK pour 6 MPa ). L’entropie spécifique de l’eau liquide saturée (x = 0) et de la vapeur sèche (x = 1) peut être choisie dans les tables de vapeur . En cas de vapeur humide, l’entropie réelle peut être calculée avec la qualité de la vapeur, x, et les entropies spécifiques de l’eau liquide saturée et de la vapeur sèche:

4 = s v x + (1 – x) s l              

4 = entropie de vapeur humide (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

v = entropie de vapeur «sèche» (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (pour 0,008 MPa)

l = entropie d’eau liquide saturée (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (pour 0,008 MPa)

D’après cette équation, la qualité de la vapeur est:

4 = ( 4 – s l ) / ( v – s l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

L’enthalpie pour l’état 3 peut être prélevée directement dans les tables de vapeur, tandis que l’enthalpie pour l’état 4 doit être calculée en utilisant la qualité de la vapeur:

3, v = 2785 kJ / kg

4, humide = h 4, v x + (1 – x) h 4, l  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Ensuite, le travail effectué par la vapeur, W T, est

T = Δh = 945 kJ / kg

3)

L’enthalpie pour l’état 1 peut être sélectionnée directement dans les tables à vapeur:

1, l = 174 kJ / kg

L’état 2 est fixé par la pression p 2 = 6,0 MPa et le fait que l’entropie spécifique est constante pour la compression isentropique (s 1 = s 2 = 0,592 kJ / kgK pour 0,008 MPa ). Pour cette entropie s 2 = 0,592 kJ / kgK et p 2 = 6,0 MPa, nous trouvons 2, sous-refroidi dans les tables de vapeur pour l’eau comprimé (en utilisant l’interpolation entre deux états).

2, sous-refroidi = 179,7 kJ / kg

Ensuite, le travail effectué par les pompes, W P, est

P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

La différence d’enthalpie entre (2 → 3), qui correspond à la chaleur nette ajoutée dans le générateur de vapeur, est simplement:

add = h 3, v  – h 2, sous-refroidi = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Notez qu’il n’y a pas de régénération de chaleur dans ce cycle. En revanche, la plus grande partie de la chaleur ajoutée est destinée à l’enthalpie de vaporisation (c’est-à-dire au changement de phase).

5)

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

η Carnot = 1 – T froid / T chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

où la température du réservoir chaud est de 275,6 ° C (548,7 K), la température du réservoir froid est de 41,5 ° C (314,7 K).

L’efficacité thermodynamique de ce cycle peut être calculée par la formule suivante:

Cycle de Rankine - exemple - efficacité thermique

donc
η th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

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