Cycle de Rankine régénératif

Signification du cycle régénératif de Rankine

Le concept du cycle régénératif de Rankine (CRR) joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des centrales électriques, en particulier celles qui fonctionnent à la vapeur. Le terme "régénératif" est utilisé parce que ce cycle incorpore une méthode de récupération de la chaleur pendant le cycle.

Le principe du cycle régénératif de Rankine

Relativement plus spécifique, le cycle de Rankine régénératif s'écarte d'un cycle de Rankine simple en utilisant des réchauffeurs d'eau d'alimentation. Ces réchauffeurs récupèrent l'énergie de la vapeur qui sort des turbines. Ce processus, connu sous le nom de "régénération", est à l'origine du nom du cycle car il régénère la chaleur en interne, améliorant ainsi l'efficacité du cycle et générant plus d'énergie avec la même quantité d'intrants.

Les composants du cycle régénératif de Rankine

Les principaux composants du cycle régénératif de Rankine sont la chaudière, la turbine, le condenseur et la pompe, ainsi qu'un ou plusieurs réchauffeurs d'eau d'alimentation. Approfondissons un peu chaque élément :

• La chaudière : C'est là que la chaleur (provenant de la combustion du carburant) est ajoutée à l'eau pour la transformer en vapeur, toujours sous haute pression.
• Turbine : C'est ici que la vapeur provenant de la chaudière est détendue, faisant tourner la turbine pour créer de l'énergie électrique.
• Condenseur : la vapeur d'échappement de la turbine est refroidie et condensée en eau.
• Pompe : L'eau du condenseur est ensuite pompée dans la chaudière pour terminer le cycle.
• Réchauffeurs d'eau d'alimentation : Ils capturent et utilisent la chaleur restante de la vapeur d'échappement de la turbine à basse pression pour préchauffer l'eau avant qu'elle ne retourne dans la chaudière, ce qui améliore encore l'efficacité.

Voici un tableau simple montrant la progression étape par étape d'un cycle de Rankine régénératif :

Travailler avec le cycle régénératif de Rankine Exemples

Des exemples pratiques peuvent grandement aider à comprendre le fonctionnement du cycle régénératif de Rankine. Ces exemples ne se contentent pas d'illustrer l'ensemble du mécanisme, ils permettent aussi d'approfondir la façon dont chaque composant fonctionne dans le cycle.

Exemple 1 : Exploration du cycle régénératif de Rankine

Prenons l'exemple d'une centrale électrique à vapeur fonctionnant exclusivement selon le cycle régénératif de Rankine. Ici, la vapeur à la sortie de la turbine est purgée à différents intervalles pour être rajeunie. Pour ce faire, l'eau d'alimentation est chauffée en plusieurs étapes. En tant que tel, le chauffage est assuré par la vapeur extraite des différents étages de la turbine.

En bref, ce processus permet de récupérer plus de chaleur, ce qui entraîne une diminution de la consommation de carburant. De plus, ces détournements de vapeur augmentent considérablement le rendement global de l'usine. L'augmentation réelle dépend du nombre d'étapes de l'eau d'alimentation et des conditions dans lesquelles la récupération de chaleur se produit.

Considérons maintenant une situation plus complexe. Supposons par exemple que la vapeur ait un débit massique de 20 kg/s à l'entrée de la turbine. Les propriétés de la vapeur à cet endroit sont données comme suit : 8MPa, 480°C degrés. Elle entre ensuite dans la turbine pour se détendre jusqu'à une pression intermédiaire de 2MPa où une fraction de la vapeur est purgée. Elle se détend ensuite de façon isentropique jusqu'à la pression finale de 0,008 MPa. On suppose également que l'efficacité de la pompe est de 85 %.

Pour calculer le rendement thermique de ce cycle, il faut utiliser la formule suivante :

Deuxième exemple : Cycle régénératif de Rankine en action

En poursuivant l'exemple précédent, nous pouvons déterminer l'efficacité du cycle à l'aide des données fournies. L'enthalpie totale est extraite de la chaudière jusqu'au point de détente de la vapeur. Chaque enthalpie spécifique, \( h_{2}, h_{3}, h_{4}, h_{5} \) peut être déterminée à partir des conditions spécifiques de pression et de température dans le scénario donné.

En utilisant un diagramme de Mollier ou des tables de vapeur, l'enthalpie à chaque étape cruciale peut être calculée. La puissance nette produite (\( W_{net,out} \)) et l'apport de chaleur (\( Q_{in} \)) peuvent ainsi être obtenus. \(\N- W_{net,out} \N) = W_{turbine} - W_{pompe} = m*(h3 - h2) - m*(h5 - h4)\), où m est le débit massique et h se réfère à l'enthalpie spécifique à différents stades. L'apport de chaleur \( Q_{in} \)= m*(h3 - h1), où h1 est l'état initial à l'entrée de la chaudière.

Les valeurs calculées doivent ensuite être réintégrées dans la formule de rendement thermique \(η_{th} = \frac{W_{net,out}}{Q_{in}}\) pour obtenir le rendement final du cycle.

En comprenant ces méthodes de calcul de l'efficacité d'un cycle de Rankine régénératif, tu peux observer les augmentations significatives de l'efficacité dérivées de l'utilisation de la régénération par rapport à un cycle de Rankine standard.

Essentiellement, chaque opération du cycle régénératif de Rankine repose sur ces principes, bien que quelques variations dans les détails puissent être observées dans certaines applications industrielles. Cependant, l'idée fondamentale de la récupération et de la réutilisation de la chaleur reste la même.

Applications pratiques du cycle régénératif de Rankine

Le cycle régénératif de Rankine a une myriade d'applications pratiques, en particulier dans le domaine de la production d'électricité et d'énergie. Le cycle régénératif de Rankine trouve son utilité dans toutes les situations où il est nécessaire de convertir efficacement la chaleur en travail. En exploitant l'énergie qui aurait autrement été perdue, ce cycle augmente l'efficacité opérationnelle et favorise la conservation des ressources.

Utilisation du cycle régénératif de Rankine dans la production d'énergie

La principale application du cycle régénératif de Rankine se trouve dans les secteurs de la production d'énergie où il existe des besoins importants en matière de production d'énergie efficace et fiable. Dans ces situations, la conservation et l'utilisation optimale des ressources sont des principes fondamentaux de la durabilité et de la viabilité économique.

Les centrales électriques, en particulier celles qui fonctionnent avec des combustibles non renouvelables, ont adopté le cycle régénératif de Rankine comme fonctionnalité standard. Plus précisément, dans les centrales à charbon et les centrales nucléaires, la chaleur du combustible et du réacteur respectivement est utilisée pour produire de la vapeur. Cette vapeur, à une température et une pression élevées, est ensuite détendue dans une turbine pour produire de l'électricité.

Généralement, dans un cycle de Rankine simple, cette vapeur est ensuite refroidie et pompée vers la chaudière pour redémarrer le cycle. Cependant, ce processus ne permet pas d'extraire tout le potentiel énergétique de la vapeur. Dans le cycle de Rankine régénératif, la vapeur est purgée à différents stades et passe par les réchauffeurs d'eau d'alimentation. Ce système récupère ainsi l'énergie latente de la vapeur avant qu'elle ne se condense.

Il est essentiel de mentionner que plusieurs réchauffeurs d'eau d'alimentation peuvent être utilisés, chacun utilisant la vapeur purgée à différents stades de la turbine. Cette récupération échelonnée de la chaleur des gaz d'échappement de la turbine constitue une partie essentielle du processus de récupération de l'énergie.

En gros, voici ce qui se passe :

• Lorsque la vapeur est purgée de la turbine, sa pression et sa température chutent, ce qui libère de la chaleur.
• Cette chaleur réchauffe ensuite l'eau qui va être pompée dans la chaudière.
• La chaudière a maintenant besoin de moins de chaleur pour produire la vapeur, car l'eau est préchauffée, ce qui améliore l'efficacité globale du cycle.

Cycle de Rankine régénératif en milieu industriel

En milieu industriel, des systèmes puissants sont nécessaires pour améliorer l'efficacité et la productivité. Le cycle de Rankine régénératif est très répandu dans ce type d'environnement en raison de ses propriétés d'économie d'énergie.

De plus, le cycle de Rankine et ses dérivés sont mis en œuvre de nombreuses façons en dehors du secteur de la production d'énergie. Les opérations industrielles exploitent couramment la chaleur résiduelle des processus et la convertissent en travail utile en utilisant les principes du cycle régénératif de Rankine.

Les centrales de production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE), où la chaleur résiduelle de la production d'électricité est utilisée pour des solutions de chauffage, en sont un exemple. La chaleur résiduelle peut être transférée directement à des fins de chauffage ou être utilisée dans un cycle secondaire, souvent un cycle de Rankine régénératif, pour produire de l'électricité supplémentaire. En couplant la production de chaleur et d'électricité, ces systèmes atteignent généralement un rendement énergétique global très élevé.

De plus, l'industrie maritime tire parti des avantages du cycle de Rankine régénératif. Les grands navires de haute mer sont propulsés par d'énormes moteurs, qui fonctionnent souvent au fioul lourd ou au diesel. La chaleur dégagée par ces moteurs est considérable et, au lieu de la rejeter dans l'atmosphère, on l'utilise dans un cycle de Rankine régénératif pour produire de l'énergie supplémentaire à bord.

La polyvalence du cycle régénératif de Rankine a été évoquée plus haut. En exploitant la chaleur "perdue" pour produire de l'énergie supplémentaire, le processus stimule l'efficacité énergétique et favorise l'utilisation durable des ressources. Comme ses principes sont évolutifs et adaptables à différentes conditions, différentes industries à travers le monde continuent d'utiliser le cycle régénératif de Rankine pour la production d'électricité.

Formulation du cycle régénératif de Rankine

Le cycle régénératif de Rankine est basé sur des principes thermodynamiques particuliers et est représenté mathématiquement par un ensemble de formules. Ces formules te permettent d'approfondir l'efficacité du cycle en quantifiant le rendement et la production de travail.

Formule de base du cycle régénératif de Rankine

Commençons par la formule fondamentale du cycle régénératif de Rankine. Étant donné qu'il s'agit d'un cycle thermodynamique, il traite principalement du transfert de chaleur et de travail. L'apport total de chaleur au cycle (\N( Q_{in} \N)) et le travail fourni par la turbine (\N( W_{turbine} \N)) sont les clés de voûte de la formule de base.

L'apport de chaleur au cycle régénératif de Rankine est l'enthalpie totale extraite de la chaudière et des réchauffeurs d'eau d'alimentation. L'enthalpie, dans ce contexte, est la teneur en chaleur de la vapeur entrant dans la turbine et peut être indiquée à l'aide de l'équation :

Les variables de l'équation ci-dessus représentent :

• \(m\) : Débit massique de la vapeur
• \(h_{3}\) : Enthalpie de la vapeur à la fin du réchauffage
• \(h_{4}\) : Enthalpie de la vapeur après le point de pincement de l'eau d'alimentation

Le travail fourni par la turbine peut être représenté par la différence des enthalpies à travers la turbine, multipliée par le débit massique de la vapeur. Cela peut se traduire par la formule suivante :

Les variables de cette équation sont :

• \(m\) : Débit massique de la vapeur
• \(h_{1}\) : Enthalpie de la vapeur à l'entrée de la turbine
• \(h_{3}\) : Enthalpie de la vapeur à la fin du réchauffage

Ces équations constituent les bases de l'analyse de la transformation de l'énergie en travail dans une centrale électrique à cycle de Rankine régénératif.

Comprendre la formule de rendement du cycle régénératif de Rankine

Passons maintenant à un aspect crucial de tout cycle : le rendement. Le rendement (\( η \)) d'un cycle régénératif de Rankine est une mesure de l'efficacité avec laquelle il convertit la chaleur d'entrée en travail de sortie. Il est calculé comme le rapport entre le travail net produit et la chaleur totale absorbée.

Notons le travail effectué par la pompe (\N- W_{pump} \N)) et le travail effectué par la turbine (\N- W_{turbine} \N)). Nous obtenons alors la formule suivante pour le travail net fourni (\( W_{net,out} \)) :

C'est ainsi que l'on désigne l'apport de chaleur, \N( Q_{in} = m \cdot (h_{3} - h_{1}) \N).

Nous pouvons donc définir la formule d'efficacité, \( η_{th} = \frac{W_{net,out}}{Q_{in}} \), qui donne le rapport entre le travail de sortie et la chaleur d'entrée exprimée en pourcentage.

Ces formules et ces calculs te permettent de mieux comprendre les transformations énergétiques qui se produisent dans le cycle. Un fonctionnement efficace du cycle régénératif de Rankine permet de réduire la consommation de carburant et d'augmenter la production d'énergie, ce qui renforce les performances globales des centrales électriques.

En conclusion, le cycle régénératif de Rankine propose une nouvelle approche des systèmes de récupération et de réutilisation de la chaleur. Ce cycle permet aux processus impliquant de la chaleur d'être plus économiques et plus efficaces, ce qui le rend idéal pour la production d'énergie et les processus industriels exigeants.

Étude du cycle régénératif de Rankine avec un réchauffeur d'eau d'alimentation fermé

Lorsqu'on explore les subtilités du cycle régénératif de Rankine, on ne saurait trop insister sur le rôle du réchauffeur d'eau d'alimentation fermé. Ce composant central améliore non seulement le fonctionnement du cycle, mais aussi le rendement thermique de la centrale électrique. Son emplacement et sa fonction dans le cycle ont des implications directes sur l'efficacité globale du transfert d'énergie.

Le rôle du réchauffeur d'eau d'alimentation fermé dans le cycle de Rankine régénératif

Dans le cycle régénératif de Rankine, un processus d'échange de chaleur s'opère entre la vapeur qui se détend dans la turbine et l'eau d'alimentation pompée vers la chaudière. La chaleur passe de la vapeur à haute température à l'eau à basse température. Ce transfert de chaleur est facilité par un dispositif appelé réchauffeur d'eau d'alimentation fermé.

Un réchauffeur d'eau d'alimentation fermé est essentiellement un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur est transférée de la vapeur prélevée dans la turbine à l'eau d'alimentation qui retourne au générateur de vapeur. Il fonctionne en mélangeant directement l'eau d'alimentation avec la vapeur extraite. Ce processus de mélange se produit dans un environnement fermé, d'où la nomenclature.

Le mécanisme de fonctionnement peut être résumé comme suit :

• La vapeur soutirée, également appelée vapeur de purge ou vapeur d'extraction, entre dans le réchauffeur à haute température.
• L'eau d'alimentation, à une température plus basse, entre également dans le réchauffeur, mais dans une section différente.
• L'échange de chaleur se produit à travers le mur de séparation entre les sections, la chaleur passant de la vapeur à l'eau d'alimentation.
• L'eau d'alimentation réchauffée est ensuite renvoyée à la chaudière, réduisant ainsi l'énergie nécessaire à la chaudière pour la transformer en vapeur.

L'objectif principal du réchauffeur d'eau d'alimentation fermé dans un cycle de Rankine régénératif est de chauffer l'eau d'alimentation au maximum par la vapeur d'extraction de la turbine. Ainsi, il réduit considérablement la consommation de carburant de l'ensemble du cycle et améliore le rendement thermique de la centrale électrique.

Améliorer l'efficacité grâce au cycle de Rankine régénératif avec un réchauffeur d'eau d'alimentation fermé

Le cycle de Rankine régénératif avec un réchauffeur d'eau d'alimentation fermé permet d'améliorer considérablement l'efficacité de la production d'électricité. Comme nous l'avons dit plus haut, il utilise efficacement la chaleur de la vapeur purgée et la transfère à l'eau d'alimentation.

L'une des façons notables d'optimiser l'efficacité est de réduire la demande d'énergie supplémentaire pour chauffer l'eau d'alimentation. Le fait que l'eau d'alimentation ait déjà gagné de la chaleur grâce à la vapeur purgée réduit considérablement la quantité de chaleur nécessaire à la chaudière pour convertir l'eau d'alimentation en vapeur.

Par conséquent, le rendement global du cycle augmente tandis que les besoins en énergie diminuent. Il en résulte une efficacité thermique accrue, calculée comme le rapport entre le travail fourni et l'apport de chaleur.

Dans un contexte mathématique, le rendement (\( η_{th} \)) peut être exprimé comme suit :

Où :

• \( W_{net,out} \) représente la production de travail net du cycle, et
• \N( Q_{in} \N) signifie l'apport total de chaleur dans le cycle.

Plus la valeur de \NW_{net,out} \Nest élevée et plus la valeur de \NQ_{in} \Nest faible, plus le rendement thermique est élevé. La mise en œuvre du cycle de Rankine régénératif avec un réchauffeur d'eau d'alimentation fermé augmente en effet \( W_{net,out} \) et diminue \( Q_{in} \), élevant ainsi \( η_{th} \).

Par conséquent, le fonctionnement du réchauffeur d'eau d'alimentation fermé dans le cadre du cycle de Rankine régénératif joue un rôle essentiel dans l'amélioration de l'efficacité des systèmes de production d'énergie. En exploitant efficacement le potentiel de la vapeur de purge et en favorisant une utilisation plus durable des ressources, l'intégration des réchauffeurs d'eau d'alimentation fermés permet de faire un grand pas en avant dans la production d'énergie et les pratiques d'économie d'énergie.