MEC THERMODYNAMIQUE PROJET RENCONTRE # 3 CYCLE RANKINE AVEC DÉGAZEUR

MEC1210 - THERMODYNAMIQUE PROJET

RENCONTRE # 3

CYCLE RANKINE AVEC DÉGAZEUR

1

2

PROCÉDURE DE REMISE DU TRAVAIL

1) Il est demandé aux étudiants de déposer le programme EES dans le site Moodle avant la prochaine rencontre du projet.

2) On vous demande de nommer le fichier contenant le programme EES en utilisant le numéro matricule des 2 étudiants de l’équipe et en les séparant par un tiret (le plus petit numéro en premier).

Exemple : 2222222-3333333.EES

3) Vous devez déposer un seul fichier par équipe de 2 étudiants.

4) Pour les étudiants qui n’auront pas fait cette tâche, ils se verront

5) Assurez vous que le programme EES fonctionne correctement (permette le calcul)

6) Assurez vous que le programme EES contient tous les éléments demandés

7) Vérifiez les dates et heures limites du dépôt !!

IDENTIFICATION DU TRAVAIL

Au début du programme EES vous devez vous

identifier afin d’éviter les erreurs. Méthode proposée :

3

NOTION DE RENDEMENT THERMIQUE

Rendement du cycle de Carnot :

,

1

1

th Ca

H H

Q T

Q T

η = − = −

Rendement du cycle Rankine :

, ^net

1

th Ra

in in

W Q

Q Q

η = = −

Bilan énergétique d’un appareil ( Condenseur – Dégazeur ) :

∆ Énergie = Énergie entrante - Énergie sortante

( ) ( )

Énergie

∆ = ∑ m h ^ ⋅

− ∑ m h ^ ⋅

~ T Entrée de l’eau de refroidissement

~ T Entrée turbine HP

4

CYCLE RANKINE ÉLÉMENTAIRE

QUESTION :

Comment augmenter le

rendement du cycle Rankine ?

RÉPONSE :

Il y a plusieurs approches

3 4

5

s

6 2

T

1

(A) - CYCLE RANKINE DE BASE

5

A) Augmentation du rendement par :

Baisse de la température de condensation !

Si : P_6’ < P₆

→ Alors : x_6’ < x₆

Il y aura alors plus d’humidité dans la vapeur et plus de risque de dommage aux pales de la turbine Cette humidité fait diminuer le rendement de la turbine ( η_T )

Surface ( 6 - 6’ - 1’ - 2’ - 2 - 1 ) ---> Augmentation du travail net Surface ( 0 - 2 – 2’ - 0’) ---> Augmentation de la chaleur fournie

3

2'

s

6 4

5

1

T (B) - BAISSE DE LA TEMPÉRATURE DE CONDENSATION

1' 6' 2

NOTE : Dans le cas de beaucoup de centrales, c’est la limite inférieure atteignable de la pression dans le condenseur qui fixe la limite ( 10 kPa absolue ) !

0’ 0

B) Augmentation du rendement par :

Augmentation de la température à l’entrée de la turbine !

SURFACE ( 5–5’–6’–6 ) :

Augmentation de la chaleur fournie Donc augmentation de η_net

EFFET :

Diminution de l’humidité dans la turbine x_6’ > x₆

Ce qui est un avantage ! PROBLÈME :

La température est limitée par la résistance des métaux.

Actuellement la limite est d’environ 620 °C (893 K) pour les centrales classiques

2 3

s

6 4

5

1

T

(C) - AUGMENTATION DE LA TEMPÉRATURE D'ENTRÉE À LA TURBINEE

5'

6'

C) Augmentation du rendement par :

Augmentation de la pression de fonctionnement de la chaudière!

Si : T_5’ = T₅ et P_6’ = P₆

Et si : P₃ augmente Alors : T₃ augmente

et η_net augmente

Mais : x_6’ < x₆

Plus d’eau liquide dans la turbine

Effet indésirable !!

2

3'

s

6 4

5

1

T (D) - AUGMENTATION DE LA PRESSION DE LA BOUILLOIRE

2'

4' 5'

6'

Tmax

3

CHAUDIÈRE

SOLUTION (D) :

Aucun des cas ( A ) – ( B ) – ( C ) n’est idéal.

Il faut chercher une autre modification du cycle !

RESURCHAUFFE :

Il faut utiliser 2 turbines :

Haute pression (HP) Basse pression (BP)

Donc il faut faire repasser la vapeur dans la chaudière (d’où le nom du cycle)

AVANTAGES :

Ce cycle permet d’augmenter la pression d’opération de la turbine HP sans baisser le titre de la vapeur à la fin de la détente.

(E) - CYCLE RANKINE AVEC RESURCHAUFFE

3

4 5

T

1 2

6

s

7

8

Tmax

Cette approche est utilisée dans les centrales de grande puissance, mais n’est pas justifiée dans le cas de la centrale Gazmont (lien entre puissance et coûts)

CYCLE DE RANKINE AVEC DÉGAZEUR

Autre façon d’augmenter le

rendement du cycle de Rankine : Augmenter la température

moyenne de l’eau d’alimentation de la chaudière !

Point 2 : entrée de l’eau dans la chaudière.

Comment augmenter la T de ce point puisqu’il n’est pas dans la chaudière ??

3 4

5

s

6 2

T

1

(A) - CYCLE RANKINE DE BASE

SCHÉMA : CYCLE DE RANKINE AVEC DÉGAZEUR

TURBINE À VAPEUR 16 étages

TOUR DE

REFROIDISSEMENT

RÉSERVOIR DE CONDENSAT

DEGAZEUR

CHEMINÉE

CENTRALE THERMOÉLECTRIQUE GAZMONT

ÉCHELLE : AUCUNE DATE : 2014-10-02 Eau de refroidissement

13

5 11

6

Air + Vapeur d'eau

POMPE

CHAUDIÈRE

Purge des gaz

Cycle Rankine partiel

ENTRÉE D'AIR EXTÉRIEUR

8

POMPE BP POMPE HP

9 1

3

4 12

W^Turbine

SURCHAUFFE

ZONE VAPEUR

ZONE LIQUIDE

CONDENSEUR Douche

2

Z2

Z1

7

15 14

10

Z3

W^PBP W^PHP

Q^OUT

Q^IN

DÉGAZEUR : DESCRIPTION DU PROCÉDÉ Réchauffeur avec mélange (OFWH)

1) Une faible portion de la vapeur est soutirée de la turbine après une détente partielle

2) Cette vapeur est introduite dans le réchauffeur à mélange (dégazeur) 3) Le reste de la vapeur termine sa détente et passe par le condenseur pour

devenir liquide

4) Ce condensat est pompé dans le dégazeur où il est mélangé avec la vapeur soutirée de la turbine

5) La quantité de vapeur fournie permet d’augmenter la température du liquide condensé près du niveau de la saturation à une pression intermédiaire plus faible que la pression de la chaudière . Ceci facilite le dégazage

6) Une autre pompe est nécessaire pour remonter la pression au niveau désiré 7) Ce système permet de retirer l’oxygène de l’eau pour protéger de la

corrosion les tubulures, pompes et turbine.

LOI DE HENRY

Les gaz peuvent être solubles dans les liquides :

CO₂ dans des boissons gazeuses CO₂ dans le Champagne

N₂ dans le sang

ÉQUATION DE SOLUBILITÉ

:

A H A

P = k y

P

: pression partielle du gaz au-dessus du liquide

k

: constante de Henry , fonction du type de liquide et du type de gaz

y

: fraction molaire du gaz en solution dans le liquide

SOLUBILITÉ DU O

DANS L’EAU : FONCTION DE

- PRESSION

- TEMPÉRATURE

RÉCHAUFFEUR AVEC MÉLANGE : VUE DE L’INTÉRIEUR

Sortie gaz (O₂ , N₂) Faible quantité

Entrée de la vapeur Entrée eau

froide

Sortie eau chaude vers la pompe

DÉGAZEUR (Open Feed Water Heater)

Ballon supérieur servant à séparer l’eau des gaz

Réservoir d’accumulation du liquide condensé

Schéma d’un dégazeur typique

RÉCHAUFFEUR AVEC MÉLANGE : VUE DE L’EXTÉRIEUR

Dégazeur

Réservoir

Terminer le programme EES de calcul des paramètres thermodynamiques du cycle Rankine avec dégazeur.

Vous devez utiliser les données suivantes :

TRAVAIL DEMANDÉ APRÈS LA 3

RENCONTRE

* Pressions absolue

POINT

DÉBIT P* T TITRE

(kg/s) (kPa) ( °C ) ( - )

1 ^{16.9 9822.0}

2 ⁰

3 ¹

4 ^510.0

5 ^8.8

6 ⁰

7 8

9 ^1181.0

10 11 12

13 ^{1.521 928.0}

14 ^{2330 121.0 35.1}

15 ^{101.0 38.1}

NOTES IMPORTANTES :

- Toutes les pressions sont en valeur absolue

- Hauteur séparant le Condenseur de la Pompe BP (point [9] et [10] ) : Z₁ = 30 m - Hauteur séparant la Pompe BP du Dégazeur (point [11] et [12] ) : Z₂ = 25 m - Hauteur séparant le Dégazeur de la Pompe HP (point [6] et [7] ) : Z₃ = 15 m

NOUVEAUX ÉLÉMENTS DU CYCLE :

a) Une extraction de vapeur de la Turbine pour alimenter le Dégazeur b) Deux pompes : Haute & Basse pression

c) Un Dégazeur

d) Soutirage de la vapeur de la Turbine pour alimenter le Dégazeur

NOTES :

a) Pour pouvoir calculer les conditions à la sortie du Dégazeur, il faut faire un bilan d’énergie sur cet équipement.

b) Le bilan sur le Condenseur permet de vérifier que la chaleur perdue par la vapeur est égale (approximativement) à la chaleur gagnée par l’eau de refroidissement, les données proviennent de mesures et les mesures ne sont pas parfaites.

HYPOTHÈSES À UTILISER :

1) Le régime est permanent

2) Les pertes de pression par frottement dans les conduites sont négligées

3) Les pertes de chaleur sont négligées

4) La chaleur fournie au fluide dans le générateur de vapeur se fait à pression constante

5) La détente de la vapeur dans les turbines se fait selon une évolution isentropique

6) L’augmentation de pression par les pompes se fait selon une évolution isentropique

7) La condensation de la vapeur se fait selon une évolution à pression constante

8) La pression régnant dans le dégazeur et à sa sortie est égale à celle de l’entrée au point [10] ---> ( P[11] = P[10] )

9) Aucun changement d’état du fluide entre les points [7] et [8]

(pour le moment)

DÉTAIL DU TRAVAIL À FAIRE APRÈS LA RENCONTRE # 3

- Les caractéristiques thermodynamiques en chaque point du cycle Débit - P - T - h - s - x -

- La puissance utilisée par les 2 Pompes (kW) - La puissance brute produite par la Turbine (kW)

- Le rapport de puissance utilisée par les Pompes sur la puissance produite par la Turbine ( - )

- La puissance nette du cycle Rankine (puissance mécanique de la Turbine moins la puissance des 2 Pompes) (kW)

- L’énergie perdue par le Condenseur, côté eau et côté vapeur (kW) - Le bilan énergétique du Condenseur (kW et %)

- La chaleur fournie au fluide par la Chaudière et le Surchauffeur (kW) - Le rendement thermique du cycle Rankine (%)

- Le rendement thermique du cycle de Carnot (%)

À partie des paramètres thermodynamiques, principalement la température, l’enthalpie et l’entropie à chaque point, vous devez calculer :

Construire le diagramme ( T – s ) (température - entropie)

du cycle Rankine avec 1 Turbine, 1 Extraction, 2 Pompes et un Dégazeur Ne pas oublier que la construction de ce diagramme nécessite que les paramètres soient sous forme de vecteurs ( ex : T[2] ).

Construire un Tableau Paramétrique :

- Faire varier la température à l’entrée de la turbine TC_4 : TC_4 = 460 - 480 - 500 - 520 - 540 ---> °C - Calcul de la puissance de la Turbine

- Calcul du rendement thermique du cycle Rankine

- Utiliser l’instruction suivante dans votre programme EES :

$IFNOT ParametricTable

TC_4 = Lookup('Données' , 4 , 'T' )

$ENDIF

Construction du diagramme X-Y représentant :

• Sur l’axe des X : la variation de la température TC_4 ( en °C )

• Sur l’axe des Y à gauche : La variation de la puissance de la Turbine

• Sur l’axe des Y à droite : La variation du rendement du cycle Rankine TRAVAIL À FAIRE (SUITE)

Construction d’une turbine à vapeur :

http://www.youtube.com/watch?v=VbFFxtdLdxk&feature=related

Fonctionnement d’une turbine à vapeur :

http://www.youtube.com/watch?v=MulWTBx3szc

Fonctionnement d’une turbine à gaz :

http://www.youtube.com/watch?v=w0ChUeHKg7U&feature=related

TUTORIELS EES SUR « YOU TUBE » :

http://www.youtube.com/results?search_query=engineering%20equation%20solve r&sm=1

QUELQUES SITES WEB PRÉSENTANT DES ANIMATIONS SUR LES TURBINES À VAPEUR ET DES TURBINES À GAZ