Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

1 CHAPITRE II : INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR ET SOLUTIONS COMBINÉES 2 I – CO

1 CHAPITRE II : INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR ET SOLUTIONS COMBINÉES 2 I – CONTEXTE ET EXEMPLES INTRODUCTIFS Machines motrices – Produire du travail mécanique ou électrique – Utiliser de la chaleur (source chaude) – Nécessité d’une source froide (2ème principe) Rendement Source froide Source chaude W Moteur QF QC Chaud Froid Chaud Net Réel T T 1 Q W − < = η 3 CENTRALE NUCLÉAIRE DE GOLFECH (PWR) Puissance : 1 300 MWe Source : WWW 107 Début des travaux : 1982 Mise en service 1er réacteur : 1991 4 SITES ÉLECTRO-NUCLÉAIRES EN FRANCE 19 sites 58 réacteurs ≈80% électricité produite 2ème parc mondial 104 réacteurs aux USA Source : WWW 201 5 PILE À COMBUSTIBLE 2 H2 + O2 2 H2O + EÉlectrique + EThermique Puissance : < 0,5 MWe Vecteur d’énergie du 21ème siècle ? PEMFC Membrane polymère Echangeuse de Protons Source : WWW 202 6 II – DONNÉES THERMODYNAMIQUES POUR L’EAU ET LA VAPEUR IAPWS (International Association for the Properties of Water and Steam) NBS (US National Bureau of Standards) NRC (US Nuclear Regulatory Commission) Besoin de modèles fiables pour la simulation des installations (fonctionnement normal et dégradé…) Cf « Revised release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam (IAPWS – Lucerne – 2007) » 7 dg = – – – – s.dT + v.dP 1 – ÉQUATION DE GIBBS Cf. UF I3BETF31 (Propriétés des fluides…) L’expression de l’enthalpie libre sous la forme g = g(T, P) permet de connaître toutes les grandeurs thermodynamiques 8 FORMULATION IAPWS-IF97 Exemple : région 1 (π et τ : P et T réduites) 9 MACRO EXCEL « FluidEXL » Équilibre liq-vap • PSat = f(T) ou TSat = f(P) • h, s ou v = f(P, T, x) • x = fraction vapeur (0 1) Monophasique • x = – 1 monophasique • h, s ou v = f(P,T,x) • T ou x = f(P, h) ou f(P, s) Zittau/Goerlitz Hochschule Department of Technical Thermodynamics (Saxe – Allemagne) V V V Version Excel student student student student (régions 1, 2 et 4) Installée Installée Installée Installée à à à à l’INSA l’INSA l’INSA l’INSA Téléchargeable Téléchargeable Téléchargeable Téléchargeable gratuitement gratuitement gratuitement gratuitement http://thermodynamik.hs-zigr.de/cms/Textbook/index.php?rubric=Excel http://www.thermodynamics-zittau.de/ 10 2 – DIAGRAMME ENTROPIQUE DE L’EAU Origine u et s : phase liquide au point triple Point triple : 0,01° C et 611,657 Pa Point critique : 373,946° C et 220,64 bar Tracé approximatif diagramme déformé phénomènes incompréhensibles ! Tracé soigné obligatoire ! Source : FL_EXL 201 0 100 200 300 400 500 600 700 0 2 4 6 8 10 Température (°C) Entropie (kJ/kg/K) 280 bar 160 bar 60 bar 30 bar 100°C 0,05 bar 11 ISOBARES ET DIAGRAMME ENTROPIQUE 12 FAIBLE COMPRESSIBILITÉ DU LIQUIDE Si tSat < 250° C Isobares ≈confondues avec courbe de bulle s = f(T) seulement h = f(T) seulement Si tSat > 300° C Influence de P sur h et s près du point de bulle. Mais l’influence devient très faible à froid 160 bar 347,36° C 40° C 20° C Agrandissement x 10 160 bar 0 100 200 300 400 500 600 700 0 2 4 6 8 10 Température (°C) Entropie (kJ/kg/K) 3500 kJ/kg 3000 kJ/kg 2500 kJ/kg 2000 kJ/kg 1500 kJ/kg 1000 kJ/kg 500 kJ/kg 13 ISENTHALPES ET DIAGRAMME ENTROPIQUE 14 III – ÉLÉMENTS ANNEXES ESSENTIELS B B B B D D D D C C C C A A A A Source : MO&SH 201 Procédé complexe et besoin de compétences multidisciplinaires Nécessité de simplifier et de préciser le domaine d’étude Zone D (conversion WMéca. WÉlec.) Zone C (apport de chaleur / vaporisation) Zone B (condensation / refroidissement) Zone A cycle thermodynamique conversion QChaud. WMéca. 15 INVENTAIRE DES SOUS-SYSTÈMES 16 Compétences d’ingénieur électro-technique (ENSEEIH Toulouse, ENSIE3 Grenoble…) 1 – ALTERNATEUR ÉLECTRIQUE Alternateur d’automobile 0,5 kWe Alternateur centrale EDF 1300 MWe Source : WWW 203 Source : WWW 204 Source : WWW 205 Source : MO&SH 201 17 Fabriquer de la vapeur sous pression, saturée ou surchauffée 2 – GÉNÉRATEURS DE VAPEUR CLASSIQUES Bouilloire Source : WWW 206 Source : MO&SH 201 18 2-1 – TUBES DE FUMÉE ET TUBES D’EAU Circulation de la fumée dans les tubes ou circulation de l’eau dans les tubes Source : WWW 208 Source : WWW 207 19 2-2 – HISTORIQUE. LOCOMOTIVE À VAPEUR Chaudières à tubes de fumée Surchauffeur à tubes 19ème siècle : ≈2 bar, saturée 1930 (Pacific) : ≈18 bar et ≈260° C (t Sat = 207° C) Source : WWW 209 20 CHAUDIÈRE DE LOCOMOTIVE À VAPEUR (2) Chaudière ≈10 m Foyer ≈5 m 2,5 m Source : WWW 210 Source : WWW 211 Source : WWW 212 21 2-3 – CENTRALE THERMIQUE CLASSIQUE Chaudière à tubes d’eau et écrans de vaporisation avec recirculation (Albi) Source : EDF 201 Source : EDF 201 22 SCHÉMA ET CARACTÉRISTIQUES (1) P = 175 bar (tSat = 355° C) t = 567° C Débit de vapeur : 735 t/h Débit de charbon : 100 t/h 700 MWTher 250 MWElec Combustion lit fluide Soufflage d’air Ecrans de vaporisation Ballon de séparation Surchauffeurs Réchauffeurs Traitement des fumées Cheminée Source : EDF 201 23 SCHÉMA ET CARACTÉRISTIQUES (2) Brûleurs à charbon Ecrans de vaporisation (recirculation par thermosiphon) Tubes surchauffeurs Source : WWW 213 Source : WWW 214 Source : WWW 215 24 2-4 – CHAUDIÈRES SUPERCRITIQUES BENSON Pas de palier de vaporisation et pas de séparation l/v Recirculation impossible chaudière à tubes d’eau. Tubes ailetés et circulation à un seul passage : « once-through » Source : WWW 216 25 CHAUDIÈRE À CHARBON À LIT FLUIDISÉ SUPERCRITIQUE DE LAJISZA (POLOGNE) Source : WWW 217 Source : WWW 217 26 27 2-5 – CENTRALE SOLAIRE PS 20 (SÉVILLE) 1 255 héliostats mobiles de 120 m2 Tour de 160 mètres (chaudière à vapeur à tubes d’eau) 20 Mwe Plusieurs variantes - Eau directe - Sodium - Sels fondus (Targassonne – 66) (Thémis) Source : WWW 218 Détail de la tour de 160 mètres (chaudière à vapeur à tubes d’eau) 20 Mwe 28 Source : WWW 219 CENTRALE ABENGOA SOLAR PS 20 235U + 1n 236U 93Kr + 140Ba + 3 1n 235U + 1n 236U 94Sr + 140Xe + 2 1n 235U + 1n 236U aX + (236-a-α)Y + α α α α 1n Fragment léger : ≈38 1p et ≈56 1n Fragment lourd : ≈54 1p et ≈85 1n α α α αMoyen = 2,47 aX … (désintégration des produits) 135Te 135I 135Xe 135Cs 135Ba Période 135Te = 20 secondes Période 135Cs = 2 600 000 ans 29 3 – GÉNÉRATEURS DE VAPEUR NUCLÉAIRES Fission induite : Réaction en chaîne Noyau fissile : 235U, 239Pu… Neutron thermique (lent) 1 g 235U = 2,06 tep Source : WWW 220 Source : WWW 221 Modérateur de neutrons – petits noyaux Ralentir 1n de 2 MeV (20 000 km/s) à 0,025 eV H (H2O), D (D2O), Be (béryllium), C (graphite)… Absorbeur de neutrons Contrôler la réaction en chaîne Cd (barres cadmium), B (bore), 135Xe (poison)… 30 3-1 – LA FISSION NUCLÉAIRE INDUITE Source : WWW 222 31 ASSEMBLAGES DE COMBUSTIBLE NUCLÉAIRE Pastilles UO2 enrichi (≈5%) inséré dans des tubes (Zr) Barres de contrôle (Cd) (Voir T I – BN 3 100) 17x17 tubes Source : EDF 101 Source : WWW 224 Source : WWW 225 Source : WWW 223 32 3-2 – CUVE DE RÉACTEUR DE TYPE PWR « Golfech » 193 assemblages 65 grappes contrôle 104 t UO2 Puissance thermique 4 117 MW Diamètre intérieur 4,39 m Hauteur totale 13,59 m Epaisseur virole 220 mm Masse cuve 326 t Masse couvercle 90 t (Voir T I – BN 3 270v2) Zone utile Source : EDF 101 33 Ouverture du couvercle sous eau (protection/radiation) Eau liquide sous pression 155,1 bar (tSat = 345° C) 4 pompes de circulation Débit par pompe 16 553 t/h Hauteur pompe avec moteur 8,2 m Température entrée cuve 293° C (liquide sous-refroidi) Température sortie cuve 329° C (liquide sous-refroidi) Zone utile CUVE DE RÉACTEUR PWR DE TYPE WESTINGHOUSE Source : TI 201 Source : WWW 227 Source : WWW 226 34 CIRCUIT PRIMAIRE PWR ET CIRCUIT SECONDAIRE Circuit primaire (eau liquide radioactive) Cuve, pressuriseur et 4 générateurs de vapeur isolés dans un « bâtiment réacteur » Source : WWW 228 Source : WWW 229 35 3-3 – GÉNÉRATEUR DE VAPEUR Echangeur primaire/secondaire 4 générateurs de vapeur Hauteur : 22,31 m Source : WWW 230 Source : TI 202 36 GÉNÉRATEUR DE VAPEUR (2) Eau primaire (liquide) 155,1 bar 329° C 293° C 16 553 t/h (Voir T I – BN 3 270v2) Eau / Vapeur secondaire 72,7 bar (tSat = 288,4° C) 288,4° C (saturée) 0,25% de liquide (cyclone) 1 929 t/h 5 340 tubes D = 20 mm (U inversé) Eau uploads/Industriel/ chapitre-2-installations-motrices-vapeur.pdf