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Cycle de Kalina

Cycle de Kalina

Un cycle de Kalina permet de produire de la puissance mécanique à partir d'une source de chaleur à température variable, comme par exemple des effluents ou les gaz d'échappement d'une turbine à gaz.

Il utilise comme fluide de travail le système "eau – ammoniac", qui présente un glissement de température important. Comme le montre la figure ci-dessous, l'existence de ce glissement de température permet de réduire l'écart de température entre la veine de gaz se refroidissant dans le générateur de vapeur récupérateur  (GVR) et le fluide thermodynamique par rapport à ce qui se passe dans un cycle de Hirn. Les irréversibilités internes dues au gradient de température sont donc réduites.

On est donc conduit à faire évoluer la composition du mélange entre la zone chaude du cycle (GVR) et sa zone froide, ce qui est réalisé dans le système de distillation et de condensation décrit plus loin.

Rappelons que la thermodynamique des mélanges de fluides réels est nettement plus complexe que celle des corps purs. Nous conseillons à ceux qui ne sont pas familier de ces questions difficiles de se référer aux pages de ce portail qui traitent de ces questions.

Irréversibilités internes dans un cycle de Hirn (a) et de Kalina (b)

Un cycle de Kalina élémentaire, représenté sur le schéma suivant, comprend trois éléments principaux :

  • un générateur de vapeur récupérateur (GVR)

  • une turbine

  • un système de distillation et condensation (SDC)

La complexité du cycle résulte de deux causes :

  • pour bénéficier d'un glissement de température important dans l'intervalle de température correspondant au refroidissement de la veine de gaz chauds, le titre en ammoniac du mélange doit être assez élevé (typiquement 50 % NH3, 50 % H2O)

  • pour pouvoir être condensé à une température supérieure à celle de l'environnement et à basse pression, le titre en ammoniac du mélange doit être faible (typiquement 20 % NH3, 80 % H2O)

Cycle de Kalina

Dans le SDC le mélange riche en NH3 sortant de la turbine est refroidi dans un régénérateur, puis mélangé avec une solution pauvre en NH3 afin d'élever la température de condensation. Le mélange (solution de base) est condensé dans l'absorbeur, recomprimé et dirigé vers le récupérateur. Une partie du débit sert à diluer la solution riche sortant du séparateur, tandis que le flux principal est distillé en sortie du récupérateur. La vapeur est mélangée avec le prélèvement sur la solution de base, condensée and comprimée avant d'entrer dans le GVR.

Il existe de nombreuses variantes de cycles de Kalina. Celui que nous présentons ci-dessous est relativement simple et facile à modéliser, pour peu que l'on dispose des fonctions permettant le calcul des propriétés du mélange ammoniac-eau, ce que permet de faire Thermoptim connecté à un serveur de propriétés thermodynamiques externes approprié. Les nœuds mélangeur et séparateur ont été modifiés pour leur permettre de calculer correctement des mélanges de flux de composition différente pour le premier, et la distillation d'un mélange de pression et température connues pour le second.

Notons que l'initialisation du paramétrage du cycle est non triviale, essentiellement du fait que les compositions du système ammoniac-eau varient selon les points du cycle, de manière couplée avec les débits, le tout dépendant fortement des valeurs des pressions et des températures.

Au point 1, le fluide de travail est condensé à la pression de 2,1 bars. Il s'agit d'un mélange NH3-H2O à peu près équimolaire :

Composition du fluide de travail

Il est mis en pression dans une pompe, puis vaporisé dans le GVR. A la pression de 82 bars, la température de point de bulle du mélange est de l'ordre de 195 °C. Au fur et à mesure que l'ébullition se poursuit, le titre en ammoniac de la phase liquide diminue et la température du point de bulle augmente, jusqu'à environ 250 °C, puis la vapeur est surchauffée.

Cette vapeur est portée à 520 °C, puis détendue dans une turbine, jusqu'à la pression de 0,6 bar et la température de 88 °C. A cette pression, la température de rosée est très basse et on ne peut condenser le fluide de travail détendu avec une source froide à température de l'environnement.

Pour contourner cette difficulté, on fait échanger ce fluide détendu avec un fort débit de mélange avec de l'ammoniac à plus faible concentration :

Composition du liquide pauvre

Composition du mélange de base

Le mélange de base est alors distillé, ce qui permet de séparer une vapeur riche et le liquide pauvre.

Composition de la vapeur riche avant mélange

Une fraction du liquide pauvre est remélangée à la vapeur très riche pour former la vapeur qui sera turbinée, qui ne doit pas être trop riche en ammoniac si l'on souhaite qu'elle puisse être condensée à température ambiante.

La vapeur riche est condensée puis mise en pression et dirigée vers le GVR.

Le reste du liquide pauvre est refroidi puis détendu avant d'être mélangé avec le fluide de travail.

La représentation de certains points sur les lentilles isobares du mélange eau-ammoniac permet de comprendre les changements de composition du cycle de Kalina (figure ci-dessous).

Sur ce diagramme sont tracés :

  • en bleu, noir et rouge respectivement, les trois lentilles à 0,6, 2,1 et 82 bars

  • sous forme de segments verticaux en bleu, vert, violet et rouge respectivement, les compositions en ammoniac du liquide pauvre (7-P), du mélange de base (6-B), du fluide de travail (18-17-16-T)et de la vapeur riche (5-R)

 Le fluide de travail sort de la turbine au point 4, à la pression de 0,6 bar. Pour pouvoir le condenser à cette pression, il faudrait le refroidir jusqu'au point C, c'est-à-dire à environ -18 °C, ce qui est impossible par simple échange avec l'environnement.

La solution consiste à le refroidir jusqu'au point 8, à 40 °C, et à le mélanger dans un absorbeur avec du liquide pauvre sous-refroidi à 15 °C (point 13). Le mélange sort de l'absorbeur à 19 °C avec la composition du mélange de base, à l'état de liquide légèrement sous-refroidi. Il peut alors être comprimé à 2,1 bars au prix d'un travail réduit.

Le mélange de base réchauffé entre à l'état 6 dans le séparateur où s'opère la distillation, qui permet de séparer le liquide pauvre (7) de la vapeur riche (5). Une fraction du débit de liquide pauvre est remélangée à la vapeur riche pour former le fluide de travail à 2,1 bar (16), qui est ensuite condensé jusqu'à l'état liquide (1), ce qui permet de le comprimer jusqu'à 82 bars avec un travail réduit.

Dans le générateur de vapeur, le fluide de travail est chauffé à l'état liquide jusqu'au point 17, puis vaporisé avec glissement de température jusqu'au point 18, et surchauffé jusqu'au point 3 à 532 °C (hors schéma). Il est ensuite détendu dans la turbine jusqu'au point 4, refermant le cycle.

Intégration thermique du cycle de Kalina

La figure ci-dessous montre les allures des composites du cycle de Kalina qui vient d'être décrit. Elle montre que le système peut être équilibré sur le plan enthalpique : la chaleur récupérée lors du refroidissement de la vapeur détendue et de celui du liquide pauvre est suffisante pour assurer la préchauffe du mélange de base avant entrée dans le séparateur.

L'intégration thermique du cycle de Kalina est donc relativement simple.

On voit très bien l'importance du glissement de température et son impact sur la minimisation des irréversibilités internes. Le cycle de Kalina permet de beaucoup mieux récupérer l'enthalpie disponible dans les gaz d'échappement qu'un cycle à vapeur classique.

Composites du cycle de Kalina

Références livre

Chapitre 3 du tome 3 (prévu pour une publication en 2008)

Fiches-guides de TD

 Il n'y a pas de fiche-guide de TD traitant de ce cycle.

Exercices et activités personnelles

A titre d'exercice vous pouvez modéliser le cycle présenté ci-dessus. Son corrigé succinct vous fournira les fichiers Thermoptim correspondants. Rappelons toutefois que ce que ce modèle suppose d'avoir accès à un serveur de propriétés externe pour calculer les propriétés du mélange ammoniac-eau. 

Références

Y. M. EL-SAYED, M. TRIBUS, A Theoretical Comparison of the Rankine and Kalina Cycle, 1985a, ASME publication AES-Vol. 1.

A.I. KALINA, Combined Cycle System with Novel Bottoming Cycle, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 106, pp. 737–742, 1984.

A.I. KALINA, Combined Cycle System with Novel Bottoming Cycle, ASME Journal of Engineering for Power, vol. 106, no. 4, Oct. 1984, pp. 737-742 or ASME 84-GT-135, Amsterdam.

A.I. KALINA, Combined cycle and waste heat recovery power systems based on a novel thermodynamic energy cycle utilising low temperature heat for power generation, ASME Paper 83-JPGC-GT-3, 1983.

M. JOHNSSON, J. YAN, Ammonia-water bottoming cycles: a comparison between gas engines and gas diesel engines as prime movers, Energy, Vol. 26, 2001, pp.31±44.

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