Analyse de cycles à combustion avec injection d'eau

Remerciement

Nous tenons à exprimer notre sincère gratitude à

monsieur le professeur A.LAOUIR qui a accepté

de diriger ce mémoire. Pour l'intérêt porté à notre

travail, sa disponibilité et ses conseils.

Nos remerciements vont aux membres de jury qui

ont pris soin d'examiner le travail présenté dans ce

mémoire.

Enftn nous tenons à présenter nos remerciements à

la f;amille, et aux personnes qui nous ont aidés

durant la préparation de ce mémoire, en

particulier Hocine.

Dédicace

Je dédie ce travail à mes parents

A la mémoire de mon fi.ères qu'allah l'accueille en

son vaste paradis

A mes sœurs

A mes profiesseurs

A tous mes amis

Dédicace

Je dédie ce mémoire de fin d'étude à :

Mes parents qui peuvent êtres fiers de trouver ici

le résultat de longues amées de sacrifices et de

prïvations pour m'aider à avancer dans la vie.

A mes ftères.

A ma sœur qui n'a pas cessé d'être pour moi un

exemple de persévérance, de courage et de réussite

A mes profiesseurs et à tous mes amis

Sommaire

Introduction générale ...

CHAPITRE I ETUDE BIBLI0GRAPHIQUE : Collecte d'informations sur l'injection

d'eau sans ]es moteurs à combustion interne

I.1Introduction

1.2 Les moteurs à combustion inteme

1.2.1 Moteu à combustion à allumage commandé : (cycle Otto)

I.2.2 Moteur diesel : (cycle Diesel) ... 5

1.2.3 Turbine à gaz : (cycle de Brayton)

1.3 Historique su l'injection d'eau dans les moteurs à combustion inteme

1.4 Différentes méthode d'injection d'eau dans les turbines à gaz

1.4.1 lnjection d'eau avant l'entrée du compresseur ... 10

1.4.2 Injection d'eau dans le compresseu

1.4.3 Injection d'eau dans la chambre de combustion

1.4.4 Injection d'eau avec régénération de vapeu

1.5 Injection d'eau dans les moteuis Diesel ... 15

CHAPITRE 11 : Conversion d'énergie dans les moteurs à hydrogène.

11.1 Introduction ...

11.2 Méthodes de production d'hydrogène 11.3 L'hydrogène et ses propriétés

11.4 Le moteu themique à hydrogène

11.5 Le moteu à hydrogène électrique avec pile à combustible ... 11.6 Influence de la combustion d'hydrogène dans les turbines à gaz. 11. 7 Mélange gaz-hydrogène

11.8 Centrale themique à hydrogène

11.9 Conclusion

CHAPITRE 111 : Etudes et modélisation d'une turbine à gaz bru]ant de ]'hydrogène

avec injection de vapeur d'eau

111.1 lntroduction

111.2 Analyse therinodynamique d'un cycle simple d'une turbine à gaz brulant de

l'hydrogène...

111.2.1 Description générale ...

111.2.2 Cycle de Brayton

III.2.2.A Cycle idéal de Brayton ...

111.2.2.8 Cycle réel de Brayton 111.2.3 Analyse de compression ... 111.2.4 Analyse de combustion 111.2.5 Analyse de détente ... 28 30 Université de Jijel

Sommaire

111.3 Analyse thermodynamique d'un cycle d'une turbine à hydrogène avec injection

de vapeu

111.3.1 Cycle proposé

111.3.2 Analyse de compression ...

111.3.3 Analyse de combustion ... 111.3.4 Analyse de détente

111.3.5 Analyse de récupération de chaleu.

111.4 Hypothèses

CHAPITRE IV : Résultats et discussions

IV.1 Introduction

IV.1 Etude de l'influence des paramètres (le taux de compression et la température

compression) su les perfomances d'une turbine à gaz brulant l'hydrogène

IV.2 Etude de l'influence d'injection de vapeu d'eau su les perfomances d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène

IV.3 Comparaison des deux cycles ... 51

Conclusion générale

1

I

Nomenclatue

Liste des symboles

1I

Variables

Abréviation

Uni,é

Cp

Chaleur spécifique de l'air

kJÆg K

Cpll2o

Chaleu spécifique de l'eau

kJÆg K

Cz,g

Chaleu spécifique du gaz chaud

kM[g K

CpNZ

Chaleu spécifique d'azote

kJÆg K

h;

Enthalpie spécifique standard de formationd,

kJÆg

I

A4

eauEnthàLpieàl'cmtpée du IRSG

kM£g A5

Enthalpie à la sortie du HSG

kJÆg

1

A6 Enthalpie à l'entrée du HSRG conùe-couramt kJÆg

h7 Enthalpie à la sortie du HSRG contre-courant kJÆg

P1

Pression ambiante

bar

II

PCI

Pu

Pouvoir calorifique inferieur de ff2Puissance utile de la tLirbine kJÆg

kw

atm

Atmosphère

-Pd

Puissance utile de la turbine

kw

P7' Puissance de la turbine

kw

I

Pc

Puissance du compresseu

kw

m,

Débit massique du combustible kg/s

mœ

Débit d'air

kg/s

I

Tn"2og

mû

Débit massique de la vapeu d'eau sortie à

Débit des gaz de combustion kg/s

kg/s

IRSG comme fimée

1

nnoHZoiT1

Débit massique de la vapeu d'eau injectée

Température ambiamte

kg/s

K

I

rz

Température à la softie de compresseu

K

T3 Température d'entre de la turbine

K

T4

Température sortie de la turbine

K

I11

T5

Température sortie de l'échangeu

K

T6

Température l'entrée de IRSG contre-courant

K

7'7Wc Température à la sortie de FRSG contre- KkJÆ8

couramt

Travail du compresseu

Wt

Travail de la tubine

kJÆg

Wut

Travail utile de la turbine

kMcg

nf

Rendement isentropique de la compression

%

I111

ILc-c

Rendcment de la chambre de combustion

%

rL7. Rendement isentropique de la turbine %

Y

Exposant isentropique

I

1

Nomenclature

I1I1

Taux de compression

-K

Kelvin

C

Compresseu

C-C

La chambre de combustion

T

Tubine

-Substances chimiques

„2

Azote

-NOx Oxydes d'azotes

-I111I111II1III

02

Oxygène

-HzO

Eau

-ff2

Hydrogéné

-Lîste des abrévîations :

TIT Température à l'entrée de la turbine

STIG Tliri]ine à gaz avec injection de vapeu

HRSG Générateu de vapeu à récupération de chaleu

IGCC Cycle combiné à gazéification intégrée

RSTIG Tubine à gaz à injection de vapeu avec régénération

Page

Figure l.2 Diagrammes pvetTS (cycle otto) ... 5

Figure l.3 Diagrammes pv et TS (cycles Diesel) Figure l.4 Diagramme pv et TS (cycle de Joule)

Figure 1.5 Différentes configurations d'injection d'eau ou de vapeur d'eau dans un cycle

Simple d'une TAG

Figure l.6 Schéma du cycle de refroidissement d'air avant ]e compresseur ... 10 Figure l.7 Cycle d'injection d'eau dans le compresseur

Figure l.8 Schéma du cycle d'injection d'eau dans la chambre de combustion ... 12

Figure l.9 Cycle d'injection de vapeur dans la chambre de combustion avec récupération de chaleur combiné avec dessalement

Figure 1.10 Schéma de fonctionnement du cycle STIG et RSTIG ... 15 Figure 1.11 Schéma détaillé du moteur BMW M4 doté d'une injection d'eau ... 16

Figure ll.l Moteur thermique à hydrogène

Figure 11.2 Moteur à hydrogène électrique avec pile à combustible Figure 11.3 Bus fonctionnant en hythane

Figure 111.1 Schéma d'écoulement d'un cycle simple Figure 111.2 Cycle idéal de Brayton

Figure 111.3 Cycle réel de Brayton

Figure 111.4 Schéma du bilan massique dans la chambre de combustion ... 32 Figure 111.5 Cycle d'injection de vapeur dans la chambre de combustion ... 35

Figure 111.6 Schéma du Bilan massique dans la chambre de combustion avec injection de Vapeur

Introduction général e

Introduction généra] :

Dans tous les pays, l'énergie est devenue progressivement l'un des facteus essentiels dans le développement économique et social. Actuellement, 1e secteu énergétique est

conflonté à de nombreuses évolutions technologiques, qui font suite aux recherches

entreprises en réponse à la crise du pétrole et aux contraintes environnementales. De nombreuses solutions technologiques existent pou les moteurs, utilisées en particulier

pou la propulsion et pou la production d'électricité. Les choix dépendent de plusieurs

critères comme le type de l'utilisation, les sources d'énergies disponibles et leus couts, la réglementation en matière d'émission. Les principaux problèmes actuels

concemant la disponibilité des combustibles, ainsi que le rendement unftaire et la

maitrise des conditions de combustion, qui détemine les émissions de polluants.

Les turbines à gaz sont des moteurs à combustion inteme qui connaissent un très fort

développement dans de nombreuses applications : transport aérien, production d'électricité, entrainement de machines (compresseu et pompe), propulsion maritime

et daLns l'industrie des hydrocarbues, pami leus avamtages : leu excellent rapport

puissance / poid, leu bon rendement, et leur faible émission de polluant.

A cette effet de nombreuses méthodes telles que la régénération, le reffoidissement intermédiaire, le préchauffage et l'injection d'eau ou de vapeur d'eau ont été utilisées afin d'améliorer les perfomances des turbines gaz, L'avantage de toutes ces méthodes est d'augmenter les perfomances et la puissance spécifique comparé à un cycle sec d'une turbine à gaz classique.

L'amélioration de la perfomance des turbines à gaz dépendait fortement de

l'augmentation de la température d'entrée de la turbine. L'augmentation de la

puissance spécifique est une conséquence de la masse supplémentaire traversant la

chambre de combustion, l'injection de vapeu à été ainsi employée dans les tubines à

gaz aussi pou diminuer les émissions de NOx,

Introduction générale

Le cycle de turbine à gaz à injection de vapeu (STIG) souffre de deux inconvénients importants : Tout d'abord, le générateur de vapeu à récupération de chaleu (HRSG)

est limité par : Le point de pincement (la plus petite différence de température entre

l'eau et les gaz d'échappement), en restreignant le transfert de chaleu à l'eau,

deuxièmement, la consommation d'eau est généralement d'environ 1,1 à 1,6 kg par kwh de puissamce, ce qui est une grande quantité. Donc soit une récupération d'eau

significative ou une alimentation de l'eau est nécessaire, cela a besoin d'ajouter

d'autre appareils dans le cycle (condenseu, pompe.) et augmente le coût d'investissent pour ce le nouveau cycle.

Dans notre projet nous allons faire une étude sur une turbine à gaz avec injection de vapeu brulant de l'hydrogène dont son principal produit de combustion est de l'eau.

L'avantage de cette technique est de pouvoir utiliser l'eau des gaz d'échappement pour

l'injecter dans la chambre de combustion sans recourir à un apport extérieurs. Notre mémoire est constitué de quatre chapitres :

Le premier chapitre consiste en une revue bibliographique su la technique de l'injection d'eau dans les moteurs à combustions inteme et la description de quelques cycles d'injection d'eau dans les turbines à gaz.

Le deuxième chapitre est abordé par une présentation des propriétés de l'hydrogène et puis son utilisation dans les moteurs à combustion inteme.

Dans le troisième chapitre nous présentons dans une première partie 1'étude de la modélisation du cycle d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène et dans une

deuxième partie on va établir la même étude avec injection de vapeu d'eau.

Enfin le demier chapitre est une présentation de différents résultats obtenus à l'aide d'un code de calcul concemant l'influence de quelques paramètres ( pression et

températures) su les perfomamces d'une turi)ine à gaz brulant l'hydrogène et

l'influence de l'injection d'eau su le rendement et la puissance du cycle

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CELABrRBE I :

H(JI]E BIBIDOÆIR:ÆmQIH : collÆCTE

IylHFlon[R]Æ;nodH5 suR I:IHmcmo« IyEÆu

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crLAplTRE I Etude bibliographique

1.1 Introduction

Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps faire la présentation des diffërents cycles des moteurs à combustion inteme. Dans un deuxième temps parler de 1'historique de la technique d'injection d'eau depuis sa première apparition. Ensuite faire une revue bibliographique sur l'étude de l'injection d'eau dans les moteurs à explosion et des différentes méthodes d'injection d'eau dans les cycles des nirbines à 8az.

1.2 Les moteurs à combustion interne

Les moteurs à combustion intemes sont des dispositifs qui génèrent du travail en utilisant les produits de combustion coinme fluide de travail plutôt que comme moyen de transfert de chaleur.

Pour produire le travail, la combustion s'effectue d'une manière à produire des gaz

d'échappement à haute pression qui peuvent être développés à travers une turbine ou un piston. 11 existe aujourd'hui trois types principaux de moteurs à combustion

inteme :

T-'ù..g"

Flgure 1.1 Moteur à explosion [ 1]

1.2.1 Moteur à combustion à al]umage commandé : (cyc]e Otto)

Appelé aussi moteur à essence en raison du type de carburant le plus fréquemment utilisé. C'est l'un des membres de la gramde famille des moteurs altematifs ( à deux

temps ou quatre temps) à combustion inteme, c'est-à-dire des moteurs qui produisent

le travail par action directe sur un piston de la pression provenant de l'inflammation

CHAPITRE I Etude bibliographique

d'un mélange (air-carburant) combustible, ce type de moteu est utilisés

principalement dans les automobiles. [2]

V

Figure 1.2 diagrammes PV et TS (cycle Otto) [ 1]

1.2.2 Moteurs diesel : (cycle Diesel)

C'est un moteu à combustion inteme dont l'allumage est spontané lors de l'injection

du carburant pam le phénomène d'auto- inflammation lié aux températures élevées dans la chambre de combustion, ce type de moteurs est utilisé dans les grands véhicule et

les systèmes industriels. [2]

3

ab''

Flgure 1.3 diagrammes PV et TS (cycles Diesel) [1]

1.2.3 Turbines à gaz : (cycle de Brayton)

CHAPITRE I Etude bibliographique

Appelé également turbine à combustion, est une machine therrique produisamt le

travail par une détente dams une turbine, le plus souvent axiale, et multi-étagés, elles sont presque toujours associées au minimum :

À ui compresseur portant le gaz à haute pression, et une chambre de combustion

foumissant la chaleur au gaz avant sa détente. Les turbines à gaz sont utilisées dans les avions en raison de leurs rapport de puissance / poids élevés, et également utilisées

dams la production d' électricité et dans l' industrie des hydrœarbues. [2]

Figure 1.4 diagramme PV et TS (cycle de Joule)[1]

1.3 Historique sur l'injection d'eau dans les moteurs à combustion interne

> Dans les moteurs à explosion :

Lors du développement des premiers moteurs à combustion inteme entre (1830-1890) certains pensaient à injecter l'eau dans la chambre de combustion pendant la phase de compression.[3]

Pieme Hugon a fait la première application d'une injection d'eau dans le cylindre pou

ralentir la combustion, l'expérimentateu a constaté que la coube de détente se

perfectiome ce qui augmente la puissance du moteur, et que la température des gaz

d'échappement tombe de 250°C à 186°C, ceci prolonge la durée de vie du moteur. La première application d'une injection d'eau dans un moteu à essence remonte à

1895 quand l'ingénieu M.P. Viet qui travaillait chez De Dion Bouton à la réalisation

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CmlTRE I

Etude bibliographique

d'ui moteu à essence d'automobile utilise l'eau comme adjuvant à l'essence, de manière à mieux contrôler l'explosion.

En 1901, Clerget découvre les effets de l'injection d'eau dans le gasoil su les moteurs à haute compression, su son monocylindre Vemet. La puissance passe alors de 14 à 30ch quand on injecte de l'eau avec le gasoil et le rendement themique fait également un bond en avant tout aussi spectaculaire.[3]

> Dans les awions :

Durant la seconde guerre mondiale, les avions de combat possédaient un système d'injection d'eau qui, en évitant un grand échauffement du mélange duant la compression, permettait d'augmenter la pression et la quantité de carbuant brulée dans le cylindre sans provoquer l' autoallumage.

La technique de l'injection d'eau a été utilisée par les allemands su l'avion de chasse le MESSERSCHMITT, ça leus pemettait de s'envoler sur les altitudes très hautes.

Les anglais de leu part ont utilisé cette technique su leu avion le SPITFIRE pour

contrer les avions des allemands,

Les américains ont par la suite adopté la technique d'injection d'eau dans les moteurs

des avions FU4 CORSAIRE afm de réduire la distance de décollage.[4]

> Dans les turbines à gaz :

Déjà au début du 20ème siècle, on savait que l'injection d'eau dans la chambre de combustion pourrait augmenter le travail de la turbine à gaz.

En 1903, Aegidus Elling a construit la première turbine à gaz qui a pu produire une puissamce nette appréciable, cette turbine a utilisé une injection d'eau pour compenser son compresseu qui fonctionne mal.[5]

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CmlTRE I

Etude bibliographique

La recherche sur les améliorations des cycles de puissance est devenue intensive au cours des amées 1970, en raison de la crise du pétrole et de la prise de conscience su les effets environnementaux négatifs de la production d'électricité.

En 1976 Cheng proposa un cycle de tubine à gaz dans lequel la chaleu des gaz

d'échappement de la tubine à gaz sert à produire de la vapeu dans un générateur

(récupérateur de chaleur),

Les tubines à gaz à injection de vapeu sont devenues plus fréquentes au milieu des amées 1980 et aujoud'hui. On peut dire que les premiers efforts DE l'injection d'eau

ou de vapeu dans les tubines à gaz étaient principalement axés su des problèmes

techniques. Cependant, l'efficacité et les améliorations de la production d'énergie en ajoutant de l'eau ou de la vapeur sont devenues plus importantes pou la recherche et le

développement des turbines à gaz au cous des deux demières décennies.[5]

> Dans les moteurs d'automobile :

En 1983, le constructeur de voitures Renault a utilisé l'injection d'eau dans les moteus de couse de Fomule 1 pour refroidir l'air comprimé. En 1988, Saab a commencé la production en série de la première voiture à turbocompresseur avec un système d'injection d'eau disponible en option .En 1992, Ford a introduit un système d'injection d'eau dans le World Rally Championship (WRC).En 2007, la société

allemande de tming moteu MTM a présenté un système d'injection d'eau pou

déplacer la limite de détonation dans les moteurs Otto. Ce système a été développé avec lngolstadt UAS. En 2014, la société allemande Exomission a lancé un système d'émulsion d'eau de carbuant (FWE) pou la propulsion diesel marine.[6]

> Application de l'injection d'eau sur les moteurs de voiture par BMW ..

En début 2015, BMW a présenté un système d'injection d'eau installé su le moteur turbo suralimenté de la M4 « Safety Car » des Moto GP. L'injection d'eau pour refroidir la masse d'air à l'admission des moteurs sualimentés n'est pas une

nouveauté puisque cette technique fût dans un premier temps employée dans

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CHAPITRE I Etude bibliographique

1.4.1 lnjection de l'eau avant le compresseur :

Lors des joumées chaudes la température ambiante est haute, la puissance de sortie d'une turbine à gaz serait réduite en raison de la diminution du débit massique d'air

fourni par le compresseur. L'injection d'eau est une méthode établie pou refroidir

l'air d'admission du compresseur, cela va augmenter la puissance de sortie de la tubine. L'élévation de la température ambiante provoque une réduction du travail net

d'une "rbine gaz. L'humidification de l'air à l'entré du compresseur donne un travail

meilleu à celui d'une tubine à gaz classique

L'efficacité theririque et le travail net d'une turbine à gaz avec injection d'eau

augmente avec l'augmentation de la température d'entré de la turbine TIT. Une turbine à gaz avec humidification d'air à l'entré du compresseur consomme moins de

carburant et donne une efficacité meilleue qu'une turbine à gaz sans injection

d'eau.[9] [10]

®

Air ambient

Figure 1.6. Schéma du cycle de reftoidissement d'air avant le compresseur [9]

1.4.2 Injection d'eau dans ]e compresseur :

Dans les systèmes de su-vaporisation, l'eau est injectée à quantité plus que celle qui est nécessaire afin de saturer les gouttelettes d'eau entrent dans le compresseur où elles

s' évaporent pou donner un effet d'un refroidissement intemédiaire.

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CmlTRE I Etude bibliographique

L'eau injectée peut être ffoide ou chaude, L'eau peut également être ajoutée sans

intemiption à l' intérieu du compresseu pou refroidir l'air.

Pou les tubines à gaz multi-arbres, il est possible d'injecter de l'eau entre les

compresseurs pou réaliser un reffoidissement intemédiaire.

Le changement au niveau de la modélisation des TG avec injection d'eau par rapport

aLK TG simples apparaît au niveau de la compression, siège dans lesquelles les

goutteleftes d'eau sont injectées.

Par contre la modélisation des autres composants et processus procèdent de la même façon que pou tubines à gaz simples. Les changements relevés se rapportent en taux

de débits du carbmnt par rapport aux débits d'air sec entrant dans le compresseur,

débits de gaz se détendant dans la turbine ainsi que leus compositions et leurs

propriétés.[ii]

Carbuant

Refioidisseur d ' air d'adnrission

Condcnsateu

de separateur Echappement

Figwe 1.7 cycle d'inüection de l'eau dans le compressew [9]

1.4.3 Injection d'eau dans la chambre de combustion :

La vapeu produite à partir de la récupération de chaleu est injectée dans la chambre

de combustion d'une turbine à gaz augmentant le débit à traveis la turbine.

L'injection de vapeu augmente la puissance de sortie d'me turbine à gaz et l'efficacité

et réduit les émissions de N0x. La quantité de cette vapeu injectée est limitée.

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CHAPITRE I Etude bibliographique

La vapeu entrant dans la chambre de combustion est en état de surchauffe, étant un

support d'énergie de la chaleur récupérée provenant de l'échappement chaud.

La vapeu est supposée ne pas participer aux réactions chimiques de la combustion.

La vapeur injectée sera chauffée avec le reste des gaz à la température d'entrée de la

tubine.[9]

La pression de la vapeu lorsqu'elle est injectée doit être légèrement supérieure à la

pression de l'air provenant de la chambre de combustion. La chaleu spécifique de la vapeur sous forme surchauffée est environ deux fois plus grande que la chaleu

spécifique des gaz de combustion; Par conséquent, le Cp moyen pou le mélange de

gaz passant par la turbine sera plus élevé qu'avec une injection de vapeur. Le travail du

compresseur, n'est pratiquement pas affecté par l'injection de vapeur. [ 12]

Compresseur Turbine

Figure 1.8 Schéma du cycle d'irüection d'eau dans la chambre de combustion

La conclusion est donc que la puissance de sortie de la tubine à gaz à injection de

vapeur sera supérieue à celle de la même turbine à gaz sans injection. Pou une

turbine à gaz à injection de vapeur, 1e gain de puissance est relativement important, mais cela dépend de la température d'injection de vapeu ainsi que de la quantité de

vapeu injectée.

Pour maintenir une température d'entrée constante de la turbine, la quantité de carbuant fournie dans la chambre de combustion doit être plus grande pour une turbine à gaz à injection de vapeur par rapport à une turbine à gaz commune pour

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CHAPITRE I Etude bibl iographique

couvrir l'augmentation de masse à chauffer. La vapeu surchauffée, qui est injectée

dans la chambre de combustion, contient une quantité importante d'énergie qui a été

récupérée à partir de l'échappement de la turbine à gaz chaud dans le générateu de vapeu avec récupération de chaleur (IïRSG).Une turbine à gaz à injection de vapeu

peut atteindre une efficacité électrique de 40°/o à 45°/o (injection maximale de vapeu).

L'eau peut être injectée après le compresseu dans un évaporateu entra^mé par

l'énergie des gaz d'échappement pou améliorer le rendement du cycle. Cette augmentation de puissance par un débit massique supplémentaire est le principe de base de tous les cycles avec l'injection d'eau ou de vapeur.

Différentes configuations de cycle avec injection d'eau à plusieus endroits et modes de récupération de l'énergie des gaz chauds ont été suggérées.

La principale difficulté reste la nécessité de soumettre l'eau injectée à m traitement

préalable, et une installation de traitement qui entraîne un accroissement des investissements. [9] [12] [13] [14]

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`.'l`L,\l. `lL.`,,,' , ,'`"'';,,1.

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Figure 1.9 Cycle d'injection de vapeur dans la chambre de combustion avec récupération de chaleur combiné avec dessalemerït [14]

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CIIAPITRE I Etude bibliographique

1.4.4 Injection d'eau avec régénéra.ion de vapeur :

KyoungHoon Kim and Giman Kim ont fait une comparaison des perfomances des deux systèmes STIG et un autre système tubine à gaz à injection de vapeur à régénération a`STIG) :

Dans le cycle STIG l'air et le carbuant sont comprimés de la pression ambiante à la

pression de combustion, la vapeu sortie du lIRSG est injectée dans la chambre de combustion. L'air sortie du compresseu sera brulé avec le carburant et se détente dans

la turbine. Le gaz chaud sort de la turbine, ce gaz est utilisé pou chauffer de l'eau liquide qui entre dans le IRSG à la température ambiante.

Daiis le système RSTIG l'eau liquide et la vapeur d'eau produites dans le HRSG sont mélangés avec l'air sorti du compresseur, les gaz d'échappement à la sortie de la

turbine sont utilisés pou préchauffer l'air humide dans le récupérateu avmt l'entiée

dans la chainbre de combustion et ainsi pou chauffer l'eau à l'intérieu du HRSG.

Résultat obtenu : pou les deux systèmes l'efficacité themique et la puissance spécifique ont une valeu maximale par rapport au taux de compression, elles

augmentent avec l'augmentation de la quantité de vapeu injectée , par contre la

consommation du cari)urant par unité de masse de l'air sec diminue dans le système

STIG et augmente dans le système RSTIG avec le rapport de pression , cependant la consommation du carburant augmente dans les deux cycles par rapport à la quantité de vapeur injectée.

Dans chaque système, l'efficacité thermique maD[imale et le rapport de pression optimal diminuent avec l'augmentation de la température ambiante et augmentent avec

l'augmentation du taux d'injection de vapeu ou TIT. L'efficacité maximale dans

RSTIG est meilleue que dans STIG.[13]

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Etude bibliographique

(A,! STIG

(8) RSTIG

Figure 1.10 :schéi'na de f;onctionnement du cycle STIG et RSTIG [ 13]

1.5 L'injection d'eau dans les moteurs diesel :

Les moteurs diesel sont largement utilisés dans les systèmes de trmsport et la production d'électricité et jouent un rôle majeur dans l'influence de l'économie du

carbuant et contribuent de manière importante à l'impact environnemental de la

pollution de l'air.

Différentes méthodes pou ajouter de l'eau dans les moteurs ont été étudiées par de

nombreux chercheus au cours des demières décennies :

L'injection de l'eau est l'un des moyens les plus efficaces pou améliorer l'efficacité

énergétiques et réduire les émissions NOx dans un moteur, la réduction des émissions a été expliquée en raison de l'augmentation de la masse totale injectée, ce qui

augmente ainsi le taux de mélange entre le carburant et l'air. En conséquence, la fraction de masse du carbuant qui brûle sous condition pré-mélangée augmente aussi.

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CHAPITRE I Etude bibliographique

11 existe trois façons d'introduire de l'eau dans le cylindre du moteur. Tout d'abord, en utilisamt l'injection d'eau dans le lntane variété. Deuxièmement, par injection directe d'eau dams le cylindre du moteu à l'aide d'une pompe d'injection sépapée. De plus, par injection d'eau directement dans le cylindre à travers la buse d'injection de carburant soit par un pompe d'injection séparée ou par émulsion eau et carbuant.[17][18]

L'effet thermique de l'eau est défini comme l'eau injectée obtenant la chaleu latente de

la vaporisation à partir de la chaleu dégagée pendant la combustion entraîne une

libération de chaleu et une température de flamme plus £rible. L'effet themique de l'eau est dû à la forte chaleu latente de vaporisation et à la capacité calorifique spécifique de l'eau injectée ce qui djminue la températue de la flamme de diesel

et par conséquent les NOx .[ 15] [ 16]

Figun 1.11 schéma détajllé du motew BMW M4 doté d'urie inüection d'eau [1]

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Chapitre 11 Conversion d'énergie dans les moteurs à hydrogène

H.l lntroduction

La consommation mondiale d'énergie augmente considérablement avec les progrès de la civilisation et de la société. L'approvisionnement en énergie est devenu le fondement de l'existence et du développement de sœiété.

Le moteu themique (ou moteu à combustion inteme) peut, dans son principe et sans modifications importantes, fonctiomer en hydrogène pou produire de l'énergie mécanique en ne rejetant que de la vapeu d'eau et des oxydes d'azote (NOx).

De ce fait, le moteu à combustion inteme à hydrogène pouvait contribuer à relever le double défi déjà identifié à l'époque : remédier à la raréfaction des ressources pétrolières et diminuer les émissions de gaz à effet de serre, dès lors que lTiydrogène utilisé n'est pas fabriqué à partir de combustibles fossiles.

Les turbines à vapeur sont réservées aux très grandes puissances tandis que les

turbines à gaz occupent une position importante pou la production d'électricité et

totalement dominante dans l ' aéronautique.

Du seul point de vue de la themodynamique certains de ces moteuis peuvent être convertis à l'hydrogène, notamment les moteuis à pistons à allumage commandé et les tubines à gaz. L'utilisation de l'hydrogène comme carbuant à turbine à gaz peut être

proposée dans plusieurs scénarios possibles selon le mode de production H2

11.2 méthodes de production d'hydrogène :

On peut produire de 1'112 par plusieurs manières, par exemple :

> A partir de gaz naturel (composé principalement de méthane) avec de la vapeur d'eau. C'est la méthode industrielle la plus employée dite de refomage. Plus de 90% de la production mondiale d'112 est issue du gaz naturel par cette méthode.

11 est noté que le H2 produit par cette méthode n'est pas écologique.

> Par le chauffage du charbon

> A partir de biomasse par gazéification (un prœédé pemettant de créer un gaz

de synthèse combustible à partir d'une biomasse solide) .

> Soit à partir de micro-organismes photosynthétiques ®roduction en laboratoire mais jamais à grande échelle).

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Chapitre 11 Conversion d' énergie dans les moteus à hydrogène

> A partir d'eau, et il existe trois méthodes : par électrolyse ou par themolyse ou craquage thermochimique de la molécule d'eau à très haute température et aussi parphoto-électrolysesuunsemi-conducteur.[17][18][19]

11.3 L'hydrogène et ses propriétés

Les propriétés qui contribuent à l'utilisation de l'hydrogène comme combustible sont :

> Large gamme d'inflammabilité :

LTiydrogène a une large gamme d'inflammabilité par rapport à tous les autres

carbuants. En conséquence, l'hydrogène peut être brûlé dans un moteur à combustion inteme su me large gamme de mélange air-carbuant. Un avantage important est que l'hydrogène peut fonctionner su un mélamge (air-carbuamt) pauvre.

> Faible énergie d'allumage :

L'hydrogène a une très faible énergie d'allumage. La quantité d'énergie nécessaire pou

allumer mydrogène est d'environ un ordre de grandeu inférieue à celle requise pou l'essence. Cela pemet aux moteurs à hydrogène d'allumer des mélanges pauvres et

d'assurer un allumage rapide.

> Températue d'auto-inflammation élevée :

L'hydrogène a une température d'auto-inflammation relativement élevée, la

températue d'auto-inflammation est un facteu important pour déteminer quel rapport

de compression un moteur peut utiliser, puisque l'élévation température pendant la compression est liée au taux de compression.La température ne doit pas dépasser la température d'auto-inflammation de l'hydrogène sans provoquer d'allumage prématuré.

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Chapitre 11 Conversion d'énergie dans les moteursà hydrogène

> Vitesse de la flamme élevée :

L'hydrogène a une grande vitesse de flamme à des rapports stœchiométriques. Sous ces conditions, la vitesse de la flamme d'hydrogène est plus rapide que celle de l'essence. Dans les mélanges plus pauvres, la vitesse de la flamme diminue de manière importante.

> Haute diffiisivité :

L'hydrogène présente une très grande diffusivité. Cette capacité à se disperser dans l'air est considérablement supérieue à celle de l'essence et est avamtageuse pou deu

raisons principales. Tout d'abord, cela facilite la fomation d'un mélange unifome de

carbuant et d'air. Deuxièmement, si une fuite d'hydrogène se développe, l'hydrogène se disperse rapidement. Ainsi, des conditions dangereuses peuvent être évitées ou minimisées.

> Faible densité :

L'hydrogène a une très faible densité. Cela provoque deux problèmes lorsqu'il est

utilisé dans ui moteu à combustion inteme. Tout d'abord, un volume très important est nécessaire pou stocker suffisamment d'hydrogène. Deuxièmement, la densité

énergétique d'un mélamge hydrogène-air, et la puissance de sortie sont réduis. [20]

11.4 Le moteur thermique à hydrogène :

Convertir un moteu à combustion inteme à un moteu à l'hydrogène ne change rien

au principe, seules quelques modifications deviennent indispensables car:

Le carbuant introduit dans les cylindres est gazeux, il y a nécessité d'injecteus adptés dont la technologie est à développer, pou un moteur à pré-mélange,

l'hydrogène occupe u.] relativement grand volume, ce qui diminue la quantité de fluide de travail à chaque cycle et réduit de manière significative (au moins 20 à 25%) la

puissance spécifique du moteu mais le rendement énergétique peut atteindre 36 %

alors que celui des moteurs classiques à taux de compression plus bas (8 à 9) ne

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Chapitre 11 Conversion d' énergie dans

les moteus à hydrogène

dépasse pas 30 % car le taux de compression peut atteindre 13 àl4 bar. La limitation en puissance spécifique peut être éliminée via des dispositifs d'injection convenable

(injection directe haute pression) et la suralimentation (turbo ou compresseu). On peut

alors atteindre de très hauts rendements ®lus de 40%), su toute la plage de

fonctiomement, rendements pouvantmême dépasser ceux des meilleus moteurs

Diesel. [21] [22]

Fùgip:ie Tn moteur thermique à hydrogène

L'hydrogène est très sensible à l'autoallumage. Le moteu doit être propre, et déchargé du carbone qui à leu tour, pourraient être à l'origine d'auto-allumage.

La combustion étant environ six fois plus rapide que celle de l'essence, m réglage

précis du moteu est indispensable comme il l'est également pou minimiser les émissions d'oxydes d'azote. L'adoption d'un système de dépollution sera

probàblement requise. Quant aux matériaux constituant le moteu ils doivent être

choisis résistants à l'hydrogène, en particulier pou éviter les risques de corrosion fissuant. [21] [22]

H.5 Moteur à hydrogène électrique avec pi]e à combustible :

Dans le cas des moteurs électriques, on utilise aussi le dihydrogène comme carburant,

mais dans une pile à combustible ŒAC). En association avec le dioxygène, extrait de

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ChapitDe 11 Conversion d'énergie dans les moteurs

à hydrogène

l'air ambiant ou parfois embarqué pu dans des réservoirs spécifiques, il s'agit d'une combustion électrochimique (Convertisseu d'énergie) et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleu. [21] [23], selon une réaction chimique globale universellement connue :

H2+202+H20

HO + ctift

+e"c-01

FÜTi[e TI:2.. moteur à fg7drogène électrique avec pile à combustible [ 1]

11.6 Influence de la combustion d'hydrogène dans les turbines à gaz :

Par rapport au gaz naturel, la combustion de mydrogène conduit à un débit massique

plus faible et à uie composition différente des gaz produits, avec une teneur en eau

plus élevée qui influe à son tou le poids moléculaire et la chaleu spécifique du

mélan8e.

Les effets de la combustion d'hydrogène su le fonctionnement d'une turbine à gaz sont: Premièrement : une variation de l'enthalpie dans la détente, deuxièmement une : variation du débit à l'entrée de la turi>ine qui, et troisièmement une variation du

coefficient de trzmsfert de chaleu su le côté extérieu des pales de la turbine, affectant

les perfomances du système de refroidissement.

Par exemple me turi)ine à m état d'entiée domé (T5 1450 ° C, p517 bar) et la pression de sortie atmosphérique,. Par rapport au gaz naturel, la combustion simple dmydrogène

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Chpitre 11

Conversion d' énergie dans les moteLm à hydrogène aügmente l'enthalpie d'environ 5%, me variation qui augmente tant que la quantité de vapeur ajoutée augmente. [24]

H.7Mélange de gaz-hydrogène :

Lhydrogène peut être utilisé dans les moteurs de combution inteme comme additif dans un carbuamt hydrocarboné. L'hydrogène est le plus souvent mélamgé avec le gaz natuelàhautepression,cesdeLKgazpeuventêtrestockésdanslemêmeréservoir.

Si mydrogène est mélangé avec d'autres carbuants, il doit généralement être stocké séparément et mélangé à l'état gazeux immédiatement avant l'allumage.

En général l'hydrogène ne doit pas ê"e mélangé avec d'autres carburant qui

nécessitent également des systèmes de stockage volumineux tes que le propane.

Lmydrogène gaze" ne peut pas être stocké dms le même navire qu'un carburant

liquide à cause de sa £rible densité qui lui peme" de rester su le dessus du liquide

et de ne pas mélanger.

LTiydrogène peut être ajouté à d'auties carburants liquides compacts tels que l'essŒce,

l'alcool ou le diesel, à condition que chacun soit stocké séparément. Les véhicules

existants de ce type ont tendmce à fonctionner à l'aide d'un carburant ou l'autre, mais

pas les deu en même temps. Un avantage de cette stratégie est que le véhicule peut

continuer à fonctiomer si l'hydrogène n'est pas disponible. [25]

Fîgriie. H3 .. Bus f ;onctionnant en'b7tharie [ 1]

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Chapitre 11 Conversion d'énergie dans les moteus à hydrogène

11.8 Centrales thermiques à hydrogène :

De nouvelles recherches pou le développement des centrales de production d'électricité ont été menées par les chercheurs dans le but d'utiliser de nouvelles sources d'énergies renouvelables et de réduire émissions toxique des gaz de combustion, l'utilisation des l'hydrogène comme les combustible dans les centrales

themique a été proposé par plusieurs chercheus mais elle est peu utilisée pour le moment, après me recherche su le net de cette nouvelle technologie, on a tombé su

quelques projets intéressants auxquels on va parler dans les paragraphes suivants :

> Stéphame Délétroz présente la première centrale électrique à hydrogène, inaugurée

en 2010 près de Venise. Cette usine a été construite à proximité du complexe pétrochimique de Porto Marghera et d'une centrale thermique à charbon. Elle

permetm d'économiser 17'000 tomes de C02 par année et produira 60 millions de

kwmeue, de quoi alimenter 20'000 foyers. [26]

> NETL mène une recherche dans le cadre d'un programme de développement de la technologie de tubine à gaz à hydrogène pou la production d'énergie à cycle

combiné à gaz combiné à base de charbon intégrée (IGCC) pour améliorer

l'efficæité, réduire les émissions, réduire les coûts et pemettre la capture,

l'utilisation et la capture du carbone Stockage (CCUS).[27]

> Une centrale themique à hydrogène d'une capacité de production de 90 MW

devrait être prochainement construite à Kawasaki, au Japon, par l'entreprise Chiyodacorp. La quantité de chaleu émise par la combustion de l'hydrogène est supérieure au double de celle produite par les gaz naturels. Aussi l'entreprise japonaise a-t-elle eu l'idée de faire reposer la production d'énergie de sa centrale sur la combustion d'un mélange de 30 % de gaz naturel et de 70 % d'hydrogène.[28]

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Chapitre 11 Conversion d'énergie dans les moteurs à hydrogène

> Siemens dispose d'une expérience opératiomelle étendue de turbines à gaz avec des carbuants pou L'IGCC s'étend su plusieurs décemies. Le programme de développement de combustion pou le moteu SGT6-5000F est basé su une chambre de combustion IGCC éprouvée et entièrement testé pour s'assuer que tous

Les émissions et les exigences opératiomelles peuvent être réunies avec le gaz de synthèse et des combustibles à haute teneur en hydrogène synthétique. Siemens en

partenariat avec le projet DOE Advanced Hydrogène Tubine Project Travaille su

les technologies avancées de combustion de l'hydrogène produisant des émissions

plus faibles tout en opérant à une tubine à gaz plus élevé efficacité pou les projets

IGCC avec capture du carbone.[27]

11.9 Conclusion

Pou différentes raisons, l'homme tente dés maintenamt de réduire sa consommation de combustibles fossiles et cherche à les remplacer par d'autres carbuants d'origine renouvelables.

En effet, le monde est actuellement face à deux problématiques qui sont d'm coté

l'épuisement du pétrole, et d'un autre coté la nécessité de diminuer les émissions des gaz à effet de serre qui sont les causes principales des changements climatiques.

L'utilisation fiitue de carbuant d'origine renouvelable comme l'hydrogène est la

seule solution durable pour protéger le climat et assurer l'approvisiomement énergétique mondial, l'utilisation de l'hydrogène comme combustible dans un moteur

thermique est une solution intéressmte, tant su le plam technique qu'économique du

fàit de l'utilisation d'une technologie à £rible cout et mature, dans notre projet on a proposé d'utiliser l'hydrogène comme combustible dans une tubine à gaz qui utilise

en général des combustibles fossiles.

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l ' hydrogène avec injection de vapeur

111.1 lntroduction

Les tubines à gaz sont construites dans une gamme très large de puissance de 25 kw à 250 MW. Les combustibles utilisés sont, pour les turbines courantes, du gaz (naturel, GPL ou biologique) ou du fiiel domestique, Les TAG peuvent aussi brûler du fiiel loud ; mais celui-ci doit subir des traitements très complexes (enlèvement du sodium et des particules solides, inhibition du vanadium, etc.). De plus, les gaz d'échappement

doivent aussi être traités pou répondre aux normes environnementales.

L'exploitation et la maintenance sont donc beaucoup plus couteuses et la durée de vie réduite. La combustion dans une TAG s'effectue avec des excès d'air très importants (350 à 500%). La puissance foumie par une TAG dépend des caractéristiques de l'air aspiré : températue, humidité et pression. Elle va donc varier suivant la saison et l'altitude du lieu d'implamtation. De même, la puissance est en fonction des pertes de

charge en amont su l'air aspiré (gaine, filtre et silencieux) et en aval su les gaz

d'échappement (silencieux, batterie ou chaudière de récupération, gaine, cheminée, etc.). Les constructeurs foumissent des coubes précises domant les caractéristiques de

fonctiomement en fonction de ces différentes valeurs.

Quasiment, toute l'énergie thermique du combustible non transfomée en énergie mécanique se retrouve sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Ceux-ci sont donc très chauds (entre 450 et 550°C). Les gaz d'échappement des TAG sont peu chargés en poussières et comportent 15 à 17 % d'oxygène. Ils peuvent être utilisés

dans l'industrie pou le chauffage direct de séchoirs et, surtout, comme air combuant dms des brûleus spéciaux dits de postcombustion qui s'adaptent à des chaudières ou à

des générateurs. On obtient ainsi d'excellentes perfomances globales.

Daim notre travail on va faire une étude sur le cycle d'une turbine à gaz brulamt de

l'hydrogène, avec une injection d'eau dans la chambre de combustion, le processus de la combustion s'effectue en présence d'une quantité supplémentaire de la vapeu d'eau, cette méthode conduit à une amélioration du rendement et de la puissance utile

disporible dans une tubine à gaz de cycle simple. Les gaz d'échappement sortants de

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant del'hydrogène avec injection de vapeu

la tubine contient de l'eau car on a brulé de l'hydrogène, ces gaz entrent dans le IRSG, uie quantité d'eau dans ces gaz condensé sera récupéré en état liquide, cette

quantité de l'eau passe dans le lnsG au sens contraire des gaz d'échappement et sera

chauffé jusqu'à avoir la vapeu qui va être injectée dans la chambre de combustion.

Le but de cette expérience est de produire de l'eau et l'injecter pou améliorer le rendement du cycle sans avoir besoin d'une alimentation d' eau.

111.2 Ana]yse thermodynamique d'un cycle simple d'une turbine à gaz bru]ant

De l'hydrogène

111.2.1 Description générale

Une turbine à gaz (fig.1) est constituée par : une entrée conditionnant l'air

(filtration et éventuellement refi.oidissement), un compresseur, une chambre de combustion, une turbine de détente, l'échappement vers une cheminée.

Un diagramme schématique pou un cycle simple, turbine à gaz pou un seul arbre est montré su la figue (1). Les conditions stmdard employées dans l'industrie des

turbines à gaz sont : Tamb = 25°C et Patm = 1.013Z)ar

Hodui(s de

combustion

FUT+re " 1..Schéma d'écoulement d 'un çycle simple

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Chapitre 11' Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l 'hydrogène avec injection de vapeur

111.2.2 Cycle de baryton Üoule)

Le cycle thermodynamique su lequel les turbines à gaz fonctioment s'appelle le cycle de baryton.

Généralement le cycle de baryton peut être caractérisé par deux paramètres significatifs : le taux de compression et la température de compression

III.2.2.A Le cycle idéal de baryton :

Daiu le cycle idéal de Joule les processus : la compression (1 -2) et la détente (3 -4) se produisent dans le compresseu et la turbine sont supposés isentropiques. La chaleu

additiomée (2 - 3) dans l'échangeu de chaleu (chambre de combustion) et le rejet (4

- 1 ) se produisent à pression constante.

D'autres hypothèses pou le cycle idéal de Joule sont comme suit:

> Les pertes de pression dans les échangeurs de chaleu et les passages reliant les équipements sont négligeables.

> Le fluide de fonctionnement est un gaz parfait. > L'efficacité des échangeurs de chaleu est 100%.

FÈgHre lT1.2 .. cycle idéal de baryton

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l ' hydrogène avec injection de vapeur

111.2.2.8 Cycle réel de baryton

Dans le cycle réel à pression constante le travail dans le compresseu et la turbine est adiabatique au lieu d'isentropique. Dans une installation réelle de turbine à gaz, les pressions, durant les processus (2-3) et (4-1), ne demeuent pas constantes à cause des pertes inhérentes de pression dans les circuits d'air et de gaz. Par conséquent les

rapports de pression et de température dans le compresseur et la turbine ne sont plus identiques. La réduction double du rapport de pression de turbine réduit le travail de l ' installation et le rendement themique.

S

Fîg`ire "3 .. Cycle réel de Brqyton

III.2.3Ana]yse de compression

La température d'admission du compresseu T1 ;

Cette température étant considérée comme la température de l'air ambiant :

T1-Ta

rï=25 °C= 298,15 K

(111-1)

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Chapitre 11' Modélisation d'une turbine à gaz brulant de

La pression d'admission du compresseu Pi ;

Pi=1,013bar

l 'hydrogène avec injection de vapeur

La pression P2 et la température T2 de fin de compression isentropique ;

La pression à la sortie du compresseu est le produit de la pression d'admission du compresseur et le taux de compression :

p2-P l xt (111-2) On suppose dans le cycle de Brayton théorique que la compression est isentropique, et considérons la chaleu spécifique de l'air est constant (Cp=l,005 kJÆgK=> y=1,4) Donc selon la loi des gaz parfaits :

y

p.TT=--cste

(HI-3)

(111-2) nous conduit à calculer la températue isentropique à la sortie du compresseur

y

T2th=TL.:ï;

(111-4)

La pression P2r et la températue T2r de la fin de la compression poly-tropique au cours du cycle réel de Baryton :

P2 - P2th

(IH-5)

Et la températue T2r est déterminée en utilisant le rendement de la compression

isentropique et en considérant toujous un Cp constant :

Ilc (T2th-T1)

T2-T1 (111-6)

(111-5) nous permet de calculer la température réelle de la sortie du compresseur :

T2 = Ti + (IZ±:=I1) (|||.7)

Le travail réel du compresseu est calculé comme suit :

Wc = Cpa (T2 - Ti )

(111-8)

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Chapitre '11 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de 1'hydrogèneavec

La puissance développée par le compresseur est :

Pc = macpa(T2 -Ti)

injection de vapeur

(111-9)

111.2.4 Ana]yse de combustion

Nous allohs dans cette rubrique déterminer les pzmamètres de la fin de combustion en sachamt que ceux du début de la combustion sont ceux de la fin de la compression et nous supposons par la suite que la chaleur spécifique dépend de la température.

„'/

mg-ma+n,f

"gpre TI1.4 Schéma du bilan massique de chambre de combustion

La réaction chimique de combustion est supposée être complète et stœchiométrique, elle est en utilisant une fomule générale comme suit :

CnHm +¥* [(02 + 3.76N2)] + ËJ720 + 3.76(¥)N2 (111-10)

La réaction chimique de la combustion de l'hydrogène sans excès d'air est :

H2+(02+3.76N2)+H20+C¥)N2

(111-11)

Les rapports stœchiométriques : air/carburant et carburant/air sônt respectivement :

a# (m-12) /# (111-13)

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène avec injection de vapeur

La première loi de la thermodynamique pou un processus adiabatique de combustion

est

.-E#__i(rihi)réactifs=Z:__i(nihi)Produits

111.2.5 Amlyse de détente

La température d'entrée de la turbine est T3

En négligeant les pertes de charge dans la chambre de combustion : La pression d'entrée de la turbine P3=P2

La capacité calorifique des gaz de combustion entrant dans la turbine est :

Cpg=Yicpi=Yicpi+Y2CP2

(111 14)

Nous considérons les chaleurs massiques à pression constante car dans les installations

themiques nous avons des systèmes ouvert qui évoluent de façon isobare

La capacité calorifique molaire à pression constante pou chaque élément de

combustion à chaque température sera calculée avec cette fomule :

Cp -- a + b T + c T2 (J.mor] .K-] ) Pou les températures de 273 àl 500 k

La capacité calorifique du gaz entrant dans la turbine est calculée selon :

3.76

Cpg-ÊCPN2T3+±CPH2oT3

La températue de fin de la détente isentropique :

(111-15)

Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène avec injection de vapeur

La température de fm de la détente isentropique T4 basse pression P4 est déteminée

Par:

T4"-T3*##

(HI-16)

La températue de la fin de détente réelle :

La températue de la fin de détente réelle est déteminée par le rendement isentropique,

qui est exprimé par :

„T= (T3-T4)

(T3-T4th)

On calcule la température à la sortie de la turbine :

T4 = T3 -ItT(T3 -T4th )

Le travail réel de la turbine :

wT = cpg (r3 - r4)

La puissance de sortie de la turbine :

Pt = mgcpg(T3 -T4)

Le travail massique utile du cycle :

Wt`t - Wt - Wc

(111-17) (111-18) (111-19) (111-20) (111-21)

La puissance utile du cycle est calculée: elle est égale à la différence entre la puissance de la turbine et la puissance du compresseu axial :

Put - Pt - Pc

Le rendement themique du cycle est :

nth _mf.pciput

(111-22)

(111-23)

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène avec injection de vapeur

111.3 Analyse thermodymmique d'un cycle d'une turbine à hydrogène avec injection de vapeur :

m.3.1 Cyc]e proposé

La figue suivante représente l'arramgement d'un cycle injecté par la vapeur d'eau venante des gaz d'échappements condensés à 75°C.

FïgirreTn.5.. Cycle d'injection de vapeur dans la chambre de combustion

Nous allons dans cette partie reprendre les calculs des paramètres précédents, mais cette fois ci avec injection de vapeu d'eau qui est l'objet principal de notre étude.

De l'air est refoulé en aval du compresseu a une pression P2et entre dans la chambre

de combustion où l'hydrogène est injecté en présence d'une quantité de vapeu d'eau. La chaleur de la vapeu d'eau n'apporte rien comme énergie dans le processus de la

combustion ce qui fàit que ce teme n'apparait pas dans notre bilan de la chambre de

combustion. Les gaz de combustion entrent dans la turbine de détente à TIT élevée et sortent à une température r4 inferieur à TiT, ces gaLz contient de l'eau et de l'azote, ces

gaz chauds entrent dans un système de récupération de chaleu à haute température et sortent satués de l'eau à basse température, une quantité d'eau sera récupérée et

injectée dans la chambre de combustion.

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Chapitre 11' Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogèneavec injection de vapeur

1113.2 Ana]yse de compression

La températue d'admission du compresseuTi , Cette températue étant considérée

coinme la températue de l'air ambiant :

T1 - Ta

7.i=25 °C= 298,15 K

La pression d'admission du compresseu Pi :

Pi = 1.013 bar

(111.24)

La pression P2 et la température T2 de fm de compression isentropique ;

La pression à la sortie du compresseu est le produit de la pression d'admission du compresseur et le taux de compression :

P2 - P1 *t (111.25)

On suppose dans le cycle de Brayton théorique que la compression est isentropique, et considérons la chaleu spécifique de l'air est constant (Cp=1.005 KJÆgK=> y=1,4) donc : y-1

PTT= constmte

(111-2) nous conduit à : y-1

T2M = Ti ËT

(111.26)

La pression P2r et la températue T2r de la fin de la compression poly-tropique au cours du cycle réel de Baryton :

P2 - P2th

Et la températue T2r est déteminée en utilisant le rendement de la compression isentropique et en considérant toujous un Cp constant :

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène avec

nf - (#)

T2 -~ Ti + (T2th -Ti) /TU:

Wc = Cpa (T2 -Ti) Nous conduit à :

Le travail réel du compresseur :

La puissance développée par le compresseu est :

Pc--macpa(T2-Ti)

injection de vapeur (111.27) (111.28) (111.29) (111.30) 111.3.3 AnaLyse de combustion

Après l'injection de vapeu d'eau dms la chambre de combustion la formule générale

réaction chimique de la combustion complète sans excès d'air de l'hydrogène avec l'air s'écrit comme suit :

CnHm ((71 + m)/4)[(02 + 3.76N2)] + XH20 i

nc02+ËJJ20+(3.76Ï=Ï)N2+XH20 (111.31)

Pour la combustion d'hydrogène la réaction devient :

(H2+(i(02+3.76N2)+XH20)i

(3.76/2)N2 + (x + L)H20 (111.32)

La première loi de la thermodynamique pou un processus adiabatique de combustion

est ..

FÏ-_i(nihï)Téactifs=H__i(nihi)Produits

(111.33)

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de

„,/ mv

l 'hydrogène avec injection de vapeur

ma+nif+mv

F.\gpre ÏI1.6 .. Schéma du bilan massique de chambre de combustion

La qumtité de vapeur injecté peut être calculée à partir de l'équation pou n'importe

Quelle température d'admission indiquée de la turbine. En développant l'équation on obtient :

(W+AH)Hz+(.-2)(hf+AH)o2+(3=)(hf+AH)N2+X(hf+AH)H2o)+

((3:{£)(h/+4H)N2+(„1)(h/+4H)H2o)...(III.34)

Nous considérons les chaleus massiques à pression constante car dans les installations

themiques nous avons des systèmes ouvert qui évoluent de façon isobare La capacité calorifique molaire à pression constante pou chaque élément de

combustion à chaque température sera calculée avec cette fomule :

CP = (a + bT + cT2) ü.mo[-1k-1 )

Capacité calorifique molaire à pression constante : de 273 à 1500 k

cp = a + br + cT2 ¢ morlk-1)

8az Cœfficients a (b * 102) (c * 103)2.09 H2 29.30 -0.84 0 N2 26.62 4.19 H20 30.13 10.46 0 02 25.73 12.97 -3.77

J .. capacités calorifiiique molaire à pression constante Figure 111

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Chapitre 111 Modélisation d'une turbine à gaz brulant de l'hydrogène

La capacité calorifique est calculée ainsi :

T_--

TA +TB

Cp = a + bTm + CT2M

avec injection de vapeur

Donc 1'équation b devient :

((:)*CPo2(7Hi)+(¥)CpmŒ2-Ti)+r(h/+CPH2oŒ7-TO)i

((3Ï)*cPN2Œ3-T|)+(i+X)(h+cpff20q3-r|)) (iii.35)

Cette fomule nous conduit à déteminer la quantité de vapeur pour n'importe quelle température T3.

(-1|2:)A-(3]6|2)B+hf+C

A=CPo2(T2 -Ti)

B=Cpn2(T3 -TZ)

D=CPH2o . (T7 -T3)

C= CPH2o. (T7 -Ti)

111.3.4 Analyse de détente

La températue d'entrée de la turbine est T3

En négligeant les pertes de charge dans la chambre de combustion : La pression d'entrée de la turbine P3=P2

La capacité calorifique des gaz de combustion entrant dans la turbine est :

cpg = ((yïcpi) = ylcpl + y2Cp2)

(IH.36)

(111.37)

> La température de fm de la détente isentropique :

La température de fin de la détente isentropique T4 basse pression P4 est déterminée

Par:

Œ.38)

ŒI.43)

Ilfl

(m.44)