Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Composants de systèmes à vapeur

Sixième module

Dans ce module, nous présentons des composants de systèmes à vapeur.

Thème 1 : Chaudières et générateurs de vapeur

Chaudières

On distingue deux grandes catégories de chaudières, dénommées d'après le fluide qui circule à l'intérieur des tubes : les chaudières à tubes de fumée, et les chaudières à tubes d'eau.

dans les premières, la flamme se développe dans un tube foyer ondulé, puis les fumées parcourent des tubes, en une ou plusieurs passes, l'eau se trouvant à l'extérieur ;

dans les secondes, l'eau circule à travers un réseau de tubes, par convection naturelle ou forcée, entre deux ballons placés l'un au-dessus de l'autre (à l'exception des chaudières supercritiques . La flamme se développe dans un foyer tapissé de tubes qui absorbent le rayonnement. Un second faisceau de tubes reçoit sa chaleur des fumées par convection. L'eau monte dans les tubes soumis au rayonnement, et descend par le faisceau de convection.

Générateurs de vapeur

Nous appellerons générateurs de vapeur (GV) des appareils où la chaleur n'est pas fournie par une combustion.

La plupart des GVR sont des variantes des chaudières à tube d'eau. Les différences essentielles proviennent d'une part de ce que les niveaux de température des effluents sont beaucoup plus faibles que ceux que l'on atteint dans une chaudière, et de ce que l'échange de chaleur se fait uniquement par voie convective. Rien n'interdit plus, dans ces conditions, que le surchauffeur soit placé en amont du vaporiseur.

Configuration d'échange d'un GVR

On voit apparaître sur le diagramme enthalpie-température de la figure ci-dessus, au niveau du point 6, un minimum A dans l'écart de température entre les deux fluides, appelé pincement. Ce point joue un rôle fondamental dans le dimensionnement du GVR, puisqu'il représente le plus faible écart de température dans l'installation. Pour réduire le coût des équipements, il est préférable que le pincement ne soit pas trop faible. En revanche, l'optimisation thermodynamique du système complet demande qu'il soit le plus réduit possible.

Une attention particulière doit donc être apportée à la conception du GVR au niveau de ce pincement, qui doit être supérieur à une valeur minimale de l'ordre de 10 à 15 °C, faute de quoi la vaporisation ne peut se faire à la température désirée.

Cette page du portail Thermoptim-Unit présente les chaudières.

Thème 2 : Turbines à vapeur

L'agencement général d'une turbine est donné dans la figure ci-dessous. Un stator suivi d'un rotor sont traversés en série par de la vapeur à haute pression et température. Le stator est constitué de tuyères de guidage qui accélèrent le fluide, tandis que la roue (rotor) convertit en énergie mécanique au moins une partie de l'enthalpie disponible. U est la vitesse tangentielle du rotor.

Evolutions de la vitesse et de la pression dans un étage de turbine axiale

Dans une turbine, l'évolution du fluide est une détente. Les équations d'écoulement compressibles que nous ne développerons pas ici indiquent que pour un régime subsonique, la section de la veine devrait diminuer, et la vitesse augmenter. Cette évolution se fait en deux étapes (figure ci-dessus) : dans le stator, la vitesse absolue C augmente, tandis que dans le rouet la vitesse relative W augmente, et la vitesse absolue C diminue.

Pour une vitesse de rotation N donnée, la caractéristique des performances d'une turbine a l'allure de la figure ci-dessous, où un groupe de variables appelées débit massique corrigé proportionnel au nombre de Mach dans l'écoulement apparaît en ordonnée, et l'inverse du taux de détente en l'abscisse. L'indice 0 se rapporte aux conditions d'entrée de la turbine.

Caractéristique d'une turbine

Différents types de turbines à vapeur

En fonction de leur utilisation, on distingue quatre grandes catégories de turbines (figure ci-dessous) :

  • les turbines à condensation, dans lesquelles la vapeur est complètement détendue jusqu'à une pression voisine de 0,02 à 0,04 bar, puis liquéfiée dans un condenseur refroidi soit par l'air ambiant, soit par de l'eau. Ce type de turbine est surtout utilisé dans les installations de production de force motrice ;

  • les turbines à contre-pression, dans lesquelles la vapeur est détendue de la pression HP (> 40 bar) jusqu'à une pression BP (de l'ordre de 4 bar). Ce type de turbine permet de produire de la puissance mécanique ou de l'électricité grâce aux hautes température et pression que l'on peut obtenir dans une chaudière, tout en utilisant l'enthalpie résiduelle pour des procédés divers ;

  • les turbines à soutirage et condensation, dans lesquelles la vapeur subit une détente partielle jusqu'à une moyenne pression (environ 20 bar) dans un corps haute pression. Une partie est dirigée vers un réseau d'utilisation, tandis que le reste de la vapeur est détendu dans un corps basse pression, comme dans une turbine à condensation. Ce type de turbine trouve un champ d'application important dans les usines de cogénération dont les demandes de chaleur sont susceptibles de varier fortement au cours du temps ;

  • les turbines à soutirage et contre-pression, dont la vapeur s'échappe à basse pression dans un réseau BP au lieu d'être condensée.

Différentes catégories de turbines à vapeur

Cette page du portail Thermoptim-Unit présente les turbines.

Texte à trous

Ce texte à trous vous permettra de vérifier votre connaissance des différents types de turbines à vapeur.

Thème 3 : Tours de refroidissement

Les performances des installations à vapeur fonctionnant en circuit fermé sont très sensibles aux conditions dans lesquelles la vapeur peut être condensée. En effet, un condenseur est un échangeur d'un type particulier, à changement de phase, dont l'équilibre thermique détermine la température de condensation de la vapeur, et donc sa pression de condensation.

Une tour de refroidissement est un échangeur d'un type particulier qui permet de rejeter de la chaleur dans l'air environnant sous forme à la fois de chaleur sensible et de chaleur latente du fait de l'augmentation de son humidité. En opérant de la sorte, il est possible de refroidir un fluide jusqu'à une température supérieure de quelques degrés à la température humide de l'air ambiant (et donc éventuellement inférieure à sa température sèche), ceci au prix d'une quantité d'eau consommée de l'ordre de 5 % de celle que demanderait un refroidissement à eau. Tant sur le plan économique qu'environnemental, les tours de refroidissement sont des systèmes très intéressants, notamment en climat chaud et sec.

On distingue deux grandes catégories de tours de refroidissement, celles dites à contact direct ou à cycle ouvert, et celles dites à contact indirect ou à cycle fermé.

Tour de refroidissement à contact direct

Dans une tour à contact direct, l'eau chaude à refroidir est mise en contact avec l'air ambiant, soit par pulvérisation en fines gouttelettes, soit par ruissellement le long de surfaces d'écoulement. Les deux fluides étant en contact, de la chaleur est échangée par convection, et une partie de l'eau se vaporise, en augmentant ainsi l'humidité de l'air. Si celui-ci n'est pas saturé, il commence par se refroidir de manière quasiment adiabatique, avant de s'échauffer le long de la courbe de saturation. L'eau peut donc ressortir à une température inférieure à celle de l'air ambiant

Une tour à contact indirect met en jeu deux circuits, dits externe et interne. Dans ce dernier, le fluide à refroidir, qui peut être quelconque, reste confiné dans un faisceau de tubes autour desquels ruisselle l'eau de refroidissement du circuit externe, qui se réchauffe à son contact, puis se refroidit par échange avec l'air ambiant selon le même mécanisme que dans une tour à contact direct.

Tour de refroidissement de centrale électrique de grande puissance

Du fait de l'évaporation d'une partie de l'eau, la concentration des sels dissous et celle des impuretés, notamment biologiques, est amenée à augmenter. On doit donc d'une part procéder à des purges de déconcentration, et d'autre part veiller à éviter tout risque de propagation de légionellose.

Modèle phénoménologique

La modélisation théorique des tours de refroidissement est assez complexe compte tenu de la multiplicité des transferts qui y prennent place.

Les hypothèses généralement faites, dues à Merkel, sont les suivantes :

  • l'air sortant de la tour est quasiment saturé

  • le film interstitiel est de l'air saturé d'humidité, à la température de l'eau

  • le nombre de Lewis est égal à 1

  • la résistance thermique côté liquide est négligée devant celle côté air

Elles permettent d'aboutir à un modèle dans lequel la principale caractéristique de la tour est un Nombre d'Unités de Transfert NUTm, résultat de l'intégration de l'équation suivante.

Il s'agit d'un indicateur représentatif de la difficulté qu'il y a à effectuer le transfert thermique dans la tour de refroidissement. Incorporant des phénomènes couplés d'échange d'énergie et de masse complexes, et dépendant de la technologie mise en œuvre, il n'est pas possible d'en donner une expression simple.

On appelle " approche" (en anglais " approach") le pincement[1] de la tour, c'est-à-dire l'écart entre la température de sortie de l'eau et la température humide de l'air ambiant et " refroidissement" (en anglais " range") la valeur de la variation de température de l'eau.

  NUT est généralement fonction de quatre variables :

  • le rapport du débit massique d'eau au débit massique d'air

  • la température humide de l'air à l'entrée de la tour

  • soit les deux températures de l'eau Tee et Tes

  • soit le refroidissement (Tee - Tes) et l'approche (Tes - T'ae).

Modèles de comportement

De nombreux auteurs se sont intéressés à la modélisation des tours de refroidissement, et ont cherché des expressions de NUT qui soient à la fois faciles à calculer et en accord avec les résultats expérimentaux. Étant donné qu'il s'agit avant tout d'un indicateur de performance, il n'est pas en soi rédhibitoire qu'il existe une part d'arbitraire dans sa définition, dans la mesure cependant où les conventions retenues sont bien précisées.

Modèle de Merkel

L'expérience montre que, lorsque l'on modifie les quatre variables d'entrée d'une tour de refroidissement donnée, NUTm prend des valeurs diverses, qui suivent une loi de comportement du type suivant, n et m ayant des valeurs négatives comprises entre -1,1 et -0,35, et C étant compris entre 1 et 2,5 environ. C et n ou m sont appelés les coefficients de la tour.

Correspondance entre NUTm constructeur et corrélation

Cette figure montre la très bonne correspondance qui existe entre les valeurs de NUTm calculées pour le même modèle de tour de refroidissement (F1221 de la société Marley ) avec quatre motorisations de ventilateur différentes (40, 50, 60 et 70 hp).

Exemple d'utilisation d'une tour de refroidissement

Nous allons utiliser le modèle présenté dans cette fiche thématique pour étudier l'intérêt d'utiliser une tour de refroidissement à la place d'un aérocondenseur sec pour une centrale à vapeur.

Nous repartons de l'exemple présenté à la fin du cinquième module, où nous avons paramétré un tel échangeur de chaleur.

Le pincement dans l'aérocondenseur était de 11 K, du fait que l'un des deux fluides était un gaz. Dans le nouveau condenseur, le pincement peut être réduit à 7 K du fait de son remplacement pas de l'eau (voir module 8 pour davantage d'explications). De plus, l'air ambiant à 10 °C et 50 % d'humidité relative peut être refroidi jusqu'à 8,44 °C, et l'eau de refroidissement à l'entrée du condenseur jusqu'à 7 °C.

Synoptique de la centrale avec la tour de refroidissement

L'écran du composant tour de refroidissement est donné ci-dessous. On désire ici refroidir 165,5kg/s d'eau de 9,7 °C à 7 °C. Avec un débit de 300 kg/s d'air ambiant à 10 °C et d'humidité relative égale à 0,5, la température de l'air sortant est de 8,44 °C et 933 g/s d'eau sont évaporés. La puissance de la tour est de 1876 kW.

Ecran du composant tour de refroidissement

Le paramétrage de la tour a été fait de la manière suivante (figure ci-dessus) : on fixe T et ε pour l'air en entrée (ici 10 °C et 50 % d'humidité relative) et Teau en entrée (ici 9,7 °C). Le débit d'eau (165,5 kg/s) est déterminé par l'équilibrage du condenseur qui fixe aussi la puissance à extraire ΔH et le niveau de température de sortie de l'eau. Le débit d'air doit être suffisant pour que le problème ait une solution. La valeur trouvée lors du dimensionnement de l'aérocondenseur fournit un ordre de grandeur.

La diminution des pincements dans le condenseur avec tour de refroidissement permet de condenser l'eau du cycle à une température et donc une pression plus basses qu'avec l'aérocondenseur sec.

Il en résulte un rapport de détente plus élevé et donc une production accrue de puissance mécanique (1230 kW au lieu de 1174 avec l'aérocondenseur sec, soit un gain de 4,8 %). L'eau sortant du condenseur étant à température plus basse, la puissance de la chaudière augmente légèrement, mais le rendement est lui aussi un peu plus élevé (39,59 % au lieu de 38,33 %, soit un gain de 3,3 %).

En réduisant l'écart de température entre le cycle et sa source froide, la tour de refroidissement améliore les performances de l'installation.

Un deuxième exemple est à votre disposition. Il montre les gains apportés par une tour de refroidissement pour extraire la chaleur du condenseur d'une machine de réfrigération. Il est présenté dans la fiche guide n° 6.

  1. Pincement

    On appelle pincement d'un échangeur l'écart minimal de température en son sein.

    L'importance du pincement se manifeste surtout dans les problèmes de conception des réseaux d'échangeurs complexes, au point que de puissantes méthodes d'optimisation basées sur cette notion ont été développées.

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