Qu’est-ce qu’un système de refroidissement – Système de circulation d’eau – Définition

Le système de refroidissement ou le système d’eau de circulation fournit une alimentation continue en eau de refroidissement au condenseur principal afin d’éliminer la chaleur rejetée par la turbine et les systèmes auxiliaires. Génie thermique

Système de refroidissement – Système de circulation d’eau

Système de refroidissement - Tour de refroidissementLe système de refroidissement ou le système d’eau en circulation alimente en continu le condenseur principal en eau de refroidissement afin d’éliminer la chaleur rejetée par la turbine et les systèmes auxiliaires (par exemple, le système de dérivation de la turbine ). Dans ce processus, l’eau de refroidissement devient chaude. Cette énergie est rejetée dans l’atmosphère via les tours de refroidissement ou directement dans l’eau de mer ou dans une rivière. Notez que toutes les centrales nucléaires ne disposent pas de tours de refroidissement et inversement, le même type de tours de refroidissement est souvent utilisé dans les grandes centrales au charbon.

Système de refroidissement dans les turbines à vapeur humides

Dans une turbine à vapeur à condensation typique , la vapeur évacuée 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 à l’état partiellement condensé (point F), d’une qualité voisine de 90%.

Cycle de Rankine - Diagramme Ts
Cycle de Rankine – Diagramme Ts

La pression dans le condenseur (donc l’enthalpie de la vapeur de sortie) est donnée par l’ air ambiant température ( à savoir la température de l’ eau dans le système de refroidissement ). et autres paramètres:

  • température de l’air, pression et humidité 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 peut entraîner une augmentation proportionnelle de la pression de la vapeur évacuée ( ΔT = 14 ° C est généralement une valeur constante), de sorte que le rendement thermique du système de conversion de puissance peut diminuer. En d’autres termes, la production électrique d’une centrale électrique peut varier en fonction des conditions ambiantes , tandis que la puissance thermique reste constante.

Il convient de noter qu’il existe également une limite inférieure pour la température de sortie de vapeur, donc pour le système de refroidissement. En dessous de 0,008 MPa et 41,5 ° C, le volume spécifique de vapeur d’échappement augmente considérablement, ce qui nécessite d’ énormes pales dans les dernières rangées de l’étage basse pression de la turbine à vapeur . De plus, avec une diminution de la pression d’échappement de la turbine, la qualité de la vapeur diminue (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 .

Paramètres typiques dans un condenseur de turbines à condensation
Paramètres typiques dans un condenseur de turbines à condensation

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. Par conséquent, environ 2000 MWh d’ énergie inutilisable doivent être rejetés afin de respecter la deuxième loi de la thermodynamique .

Pour maintenir les paramètres à l’intérieur du condenseur (0,008 MPa et 41,5 ° C), l’ eau de refroidissement doit être suffisamment froide et il ne doit pas y avoir de grande différence de température entre la température de sortie et la température d’entrée de l’eau, donc le débit à travers le système de refroidissement doit être très élevé . Le débit à travers le système de refroidissement (avec les tours de refroidissement humides ) peut atteindre 100 000 m 3 / h (27,7 m 3 / 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 m 3 / h. En général, l’énergie peut être rejetée dans l’atmosphère via des tours de refroidissement ou directement dans l’eau de mer ou dans une rivière.

Condenseur - Réchauffeurs LP - Désaérateur

Tours de refroidissement

Les tours de refroidissement sont des appareils qui rejettent la chaleur perdue dans l’atmosphère par le refroidissement d’un flux d’eau à une température inférieure. Les tours de refroidissement sont construites sur des endroits où il y a pénurie d’eau . En utilisant des tours de refroidissement, les besoins en eau de refroidissement sont réduits et seule l’eau d’appoint doit être fournie. Les tours de refroidissement réduisent considérablement la demande en eau de refroidissement, mais cela se fait au détriment des coûts d’investissement importants.

En ce qui concerne le mécanisme de transfert de chaleur utilisé, les principaux types sont:

Les tours de refroidissement à sec fonctionnent par transfert de chaleur à travers une surface qui sépare le fluide de travail de l’air ambiant, comme dans un tube à échangeur de chaleur à air, en utilisant un transfert de chaleur par convection. Ils n’utilisent pas l’évaporation, la consommation d’eau d’appoint est donc minime.

Les tours de refroidissement par voie humide (ou tours de refroidissement en circuit ouvert) fonctionnent sur le principe du refroidissement par évaporation . Le refroidissement par évaporation est l’ajout de vapeur d’eau dans l’air, ce qui provoque une baisse de la température de l’air et de l’eau aussi. L’énergie nécessaire pour évaporer l’eau provient de la masse d’eau restante, réduisant ainsi sa température . L’eau de refroidissement de l’usine est pompée à une hauteur d’environ 10 m et distribuée sur le remblai de la tour de refroidissement , en cascade vers le puits jusqu’au fond. À l’intérieur de la tour de refroidissement humide, des remplissages sont ajoutés pour augmenter la surface de contact ainsi que le temps de contact entre l’air et l’eau, pour fournir un meilleur transfert de chaleur.

Presque toutes les centrales nucléaires, qui utilisent des tours de refroidissement, utilisent des tours de refroidissement par voie humide basées sur le principe du refroidissement par évaporation. Une partie de l’eau, environ 1%, pénètre dans l’air sous forme de vapeur d’eau en absorbant sa chaleur latente de vaporisation de l’eau restante et provoque ainsi la réduction de la température de l’eau lorsque l’air ambiant est aspiré par un flux d’eau. L’eau restante (refroidie) est recueillie dans un puisard au bas de la tour et renvoyée au condenseur.

Les types de tours de refroidissement sur la base du projet (méthode de circulation de l’air) sont:

  • Tours de refroidissement à tirage naturel . Les tours de refroidissement à tirage naturel utilisent la flottabilité via une haute cheminée hyperboloïde . Les tours de refroidissement hyperboloïdes sont typiques des tours de refroidissement à tirage naturel en raison de leur résistance structurelle et du fait que la forme hyperboloïde aide également à accélérer le flux d’air convectif vers le haut , améliorant ainsi l’efficacité du refroidissement. Dans cette tour de refroidissement, l’eau de refroidissement chaude (par exemple 25 ° C) du condenseur est pompée à une hauteur d’environ 10 m, pénètre dans la tour puis est pulvérisée sur les plateaux. Les gouttelettes d’eautomber et rencontre l’air plus froid entrant par le bas de la tour qui est ouverte sur l’atmosphère. L’eau chaude (par exemple 25 ° C) cède sa chaleur à l’air et se refroidit (par exemple 22 ° C). L’air chaud et humide monte naturellement en raison de la différence de densité par rapport à l’air extérieur sec et plus frais. L’air chaud et humide est moins dense que l’air plus sec à la même pression. Cette flottabilité de l’air humide produit un courant d’air ascendant à travers la tour hyperboloïde. L’eau refroidie tombe sous forme de pluie et est recueillie dans l’étang au bas de la tour.
  • Tours de refroidissement à tirage mécanique. En général, dans les tours de refroidissement à tirage mécanique, l’air circule à l’aide d’un dispositif mécanique comme un ventilateur ou une soufflante.
    • Tours de refroidissement à tirage forcé . Les tours de refroidissement à tirage forcé utilisent le ventilateur, qui est installé au bas de la tour. Cela produit des vitesses d’air d’entrée et de sortie élevées, donc ces tours sont beaucoup plus sensibles à la recirculation.
    • Tours de refroidissement à tirage induit. Les tours de refroidissement à tirage induit utilisent le ventilateur, qui est installé en haut de la tour. Cela produit des vitesses d’air d’entrée et de sortie faibles, ce qui réduit la possibilité de recirculation dans laquelle l’air évacué retourne dans la prise d’air.
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