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Chapitre 3 : T urbine à vapeur V.1.Introduction : Les besoins humains de base pou vont être satisfaits que par la croissance industrielle, qui dépend en grande partie de l'approvisionnement en énergie. La grande augmentation de la population pendant les dernières décennies et les jaillissements dans la croissance industrielle ont placé un énorme fardeau sur l'industrie de service électrique et les usines des produits chimiques, engrais, produits pétrochimiques, et d'autres produits essentiels, ayant pour résultat le besoin de capacité additionnelle dans les domaines de la puissance et de la génération de vapeur dans le monde entier. La vapeur est utilisée dans presque chaque industrie, et il est bien connu que les générateurs de vapeur et les chaudières de récupération de chaleur sont essentielles pour actionner les usines [2]. La turbine à vapeur est classifiée au même titre que le moteur à vapeur, le moteur à combustion interne, et la turbine à gaz. Des turbines à vapeur sont utilisées dans l'industrie pour plusieurs buts critiques: pour produire de l'électricité et pour entraîner des équipements tel que des compresseurs, ventilateurs, et pompes. V.2.Cycle de Rankine : Dans leurs combinaisons plus simples les centrales de turbine à vapeur sont représentées par convention en termes de quatre composants, formant le cycle de Rankine montré schématiquement dans la Fig V.1 (a). Ce cycle est thermodynamiquement composé de quatre processus réversibles en série : deux processus isentropiques alternés avec deux processus isobares [3]. Le cycle à vapeur est important dans sa forme simple est basé sur la vapeur fournie par une chaudière qui se détend dans une turbine qui entraîne un générateur électrique. (La vapeur saturée sèche est à la température qui correspond à la pression de chaudière, n'est pas surchauffée, et ne contient pas d'humidité). La vapeur des échappements de turbine passe dans un condenseur, ou la vapeur est condensée est pompée de nouveau dans la chaudière. Un schéma simple du système est montré dans la Fig V.1 (a). Ce schéma montre également que la chaleur étant fournie à la chaudière et à un générateur reliés à la turbine pour la production d'électricité. La chaleur extraite est enlevée par le condensateur et la pompe fournit l'énergie à l'eau d'alimentation sous forme d'augmentation de pression pour lui permettre de traverser la chaudière. Lorsque la vapeur à l’état 3 est surchauffée, le cycle de Rankine est appelé cycle de Rankine –Hirn comme il est présenté dans la Fig V.1(b). Figure V.1 : Cycle de Rankine Les déférentes transformations thermodynamiques qui composent ce cycle peuvent être décrites par les relations suivantes :  1-2 compressions isentropiques : Wp = h2 − h1 (3.2)  2-3 évaporations et surchauffe isobares : Q1 = h3 − h2 (3.1)  3-4 détentes isentropiques : Wt = − Wt = h3 − h4 (3.3)  4-1 Condensation isobare: Q2 = −Q2 = h4 − h1 (3.4) Le travail moteur produit par le cycle vaut : W = Q1 − Q2 = (h3 − h2 ) − (h4 − h1 ) (3.5) V.3.Amélioration du cycle de Rankine : L'efficacité thermique d’un cycle de Rankine peut être améliorée en augmentant la température moyenne à laquelle la chaleur est transférée au fluide dans le processus de chauffage, ou en diminuant la température moyenne à laquelle la chaleur est transférée à l’environnement à partir du fluide de fonctionnement dans le processus de refroidissement. Plusieurs modifications pour augmenter l'efficacité thermique du cycle de base de Rankine incluent ; la pression croissante de la chaudière, la pression décroissante du condenseur, et l'utilisation d'un surchauffeur, d'un réchauffeur, d'un régénérateur et d'un préchauffeur, etc [4]. ♦ L'augmentation de la température moyenne pendant l’apport de chaleur augmente la pression de la chaudière. La pression maximale de chaudière est limitée par la limite métallurgique des tubes dans la chaudière. L'augmentation de la pression de chaudière augmente la teneur en humidité de la vapeur à la sortie de turbine, qui n'est pas souhaitable. ♦ L'augmentation de la température moyenne pendant l’apport de chaleur sans pression croissante de la chaudière peut être faite en surchauffant la vapeur avec une surchauffeur. La surchauffe de la vapeur à une température plus élevée diminue également la teneur en humidité de la vapeur à la sortie de la turbine, qui est très souhaitable. ♦ L'augmentation de la température moyenne pendant l’apport de chaleur peut être accomplie avec une surchauffeur. La teneur en humidité de la vapeur à l'échappement de turbine peut être diminuée par le réchauffage de la vapeur entre les étages d'une turbine à plusieurs étages. ♦ Une augmentation de la température moyenne pendant l’apport de chaleur peut également être accomplie en régénérant la vapeur. Une fraction de la vapeur partiellement augmentée entre les étages d'une turbine à plusieurs étages est retirée pour préchauffer le liquide condensé avant qu'elle soit retournée à la chaudière. De cette façon, la quantité de la chaleur supplémentaire à basse température est réduite. ♦ La diminution de la température moyenne pendant le processus de rejet de chaleur-diminue la pression du condensateur et augmente l'efficacité du cycle. La pression minimum du condenseur est limitée par le problème de fuite dans le condenseur [4]. V.3.1Cycle avec réchauffage : L'efficacité thermique du cycle de Rankine peut être sensiblement augmentée en utilisant une pression plus élevée dans la chaudière, mais ceci exige toujours une grande surchauffe. Puisque la température maximale dans la surchauffeur est limitée par la température limite des tubes de la chaudière, les températures du surchauffeur sont habituellement restreintes. Puisque la fraction principale de la chaleur assurée au cycle de Rankine est fournie dans la chaudière, les températures de la chaudière (et par conséquent les pressions) doivent être augmentées, si des améliorations de l'efficacité du cycle doit être obtenues [4]. Le problème des températures excessives du surchauffeur peut être résolu tout en évitant les mélanges saturés biphasés pendant la détente. Une efficacité plus élevée d’une centrale est obtenue si la vapeur à l’entrée de la turbine est surchauffée, et ceci signifie que moins de vapeur et moins de carburant sont demandés pour un résultat spécifique. La vapeur surchauffée à une température plus haute que celle de la vapeur saturée sèche à la même pression contient plus d’enthalpie, si la vapeur est réchauffée et détendue à travers une deuxième turbine, l'efficacité du cycle s'améliore également, et l'humidité dans la vapeur est réduite. Cette réduction d'humidité réduit au minimum l'érosion sur les aubes de la turbine. Le réchauffeur est utilisé souvent dans les grandes centrales parce qu'il rajoute de l'énergie additionnelle de vapeur à la partie de basse pression de la turbine (Fig V.2), augmentant de ce fait l'efficacité globale de l’installation [5]. Figure V.2 : Cycle vapeur avec resurchauffe Thermodynamique du cycle de Rankine avec réchauffage : La vapeur qui quitte la chaudière en tant que vapeur saturée est surchauffée à une température acceptable et puis elle est détendue jusqu'à ce quelle intersecté avec la courbe d'humidité maximum (x égale ou autour de 1). La vapeur est alors réchauffée dans une deuxième section de surchauffeur et puis détendue dans une deuxième turbine jusqu'à quelle intersecté avec la courbe maximum d'humidité. La vapeur est alors condensée et pompée de nouveau dans la chaudière. Le cycle de base de Rankine avec réchauffage se compose de six processus (Fig V.3) suivants :  1-2 Compression isentropique  2-3 Chauffage isobare  3-4 Détente isentropique  4-5 Addition isobare de chaleur  5-6 Détente isentropique  6-1 Refroidissement isobare Figure V.3 : Diagramme T-S du cycle de Rankine avec resurchauffe Appliquons la première loi de thermodynamique du système ouvert à chacun des six processus du cycle de Rankine avec réchauffage:  W12 = mv (h1 − h2 ) (3.6)  Q23 = mv (h3 − h2 ) (3.7)  W34 = mv (h3 − h4 ) (3.8)  Q45 = mv (h5 − h4 ) (3.9)  W56 = mv (h5 − h6 ) (3.10)  Q61 = mv (h1 − h6 ) (3.11) Le rendement thermique du cycle à resurchauffe s’écrit :  ηt , R = (h3−h4)+(h5−h6) (h3−h2)+(h5−h4) (3.12) Le rendement du cycle sans resurchauffe s’écrit:  ηt , SR = (h5−h6) (h5−h2) (3.13) Si l’on admet que les enthalpies des états (3-2) et (4-5) sont confondues, ce qui est acceptable puisque les états 1 correspondants sont identiques, on trouve : (3.14) Avec ∆ = (h3 − h4 )〉 0 La resurchauffe est donc toujours avantageuse. On peut montrer qu’elle est d’autant plus que la pression P3 à l’entrée de la turbine haute pression est élevée. En effet, de l’expression (3.14), on déduit que le rendement thermique croît avec ∆ = (h3 − h4) 〉0 [1]. Or, on voit clairement sur ce diagramme que toute augmentation de la pression P3 se traduit par un accroissement de ∆. Il y aura donc intérêt à prendre la valeur de P3 la plus élevée possible, pour autant que le point 4 reste technologiquement acceptable, c’est-à-dire dans le domaine des vapeurs surchauffées ou des vapeurs saturées humides à titre élevé [1]. Le réchauffage n'est jamais offert pour des turbines moins de uploads/Industriel/ turbine-a-vapeur.pdf