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Définition du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique largement utilisé pour convertir la chaleur en travail mécanique, principalement dans les centrales électriques. Ce cycle est généralement employé dans les turbines à vapeur pour produire de l'électricité. Sa compréhension est essentielle pour ceux qui s'intéressent à la physique et à l'ingénierie énergétique. Les composants principaux du cycle de Rankine comprennent :
- La chaudière ou générateur de vapeur
- La turbine
- Le condenseur
- La pompe
Fonctionnement du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine consiste en plusieurs étapes qui se déroulent de manière cyclique : 1. **Évaporation** : L'eau est chauffée à haute pression dans une chaudière. Cette étape convertit l'eau en vapeur en absorbant la chaleur. 2. **Expansion** : La vapeur entre dans la turbine où elle se détend. Cette détente entraîne les roues de la turbine, convertissant ainsi l'énergie thermique en énergie mécanique pour produire de l'électricité. 3. **Condensation** : La vapeur sort de la turbine pour entrer dans un condenseur. Ici, elle libère sa chaleur restante et se transforme en liquide. 4. **Pompage** : Le liquide condensé est pompé à nouveau vers la chaudière, complétant ainsi le cycle.
Le cycle de Rankine est un processus thermodynamique qui convertit la chaleur en travail mécanique en utilisant un fluide de travail tel que la vapeur d'eau.
Par exemple, si la température de vapeur à l'entrée de la turbine est de 500°C et à la sortie elle est de 30°C, vous pouvez calculer l'efficacité thermique du cycle. En utilisant la formule suivante : \[\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}\]Où :
- \(T_h\) est la température en entrée (convertie en Kelvin)
- \(T_c\) est la température en sortie (convertie en Kelvin)
Dans les systèmes avancés, des améliorations comme les cycles Rankine de récupération de chaleur, ou les cycles Rankine organiques (ORC), sont utilisés pour augmenter l'efficacité. Ces cycles exploitent des fluides à bas point d'ébullition afin d'optimiser la conversion de chaleur en travail dans des conditions particulières, comme des sources de chaleur à basse température. Par exemple, un ORC pourrait être utilisé avec des applications géothermiques, où la température de la source de chaleur est trop basse pour un cycle de Rankine traditionnel. Également, la régénération est une technique où une partie de la chaleur de déchet est réintroduite dans le cycle pour préchauffer le fluide de travail avant qu'il n'atteigne la chaudière. Ce processus améliore l'efficacité globale du cycle et réduit la consommation d'énergie primaire.
Saviez-vous? Le cycle de Rankine est nommé d'après l'ingénieur et physicien écossais William John Macquorn Rankine, qui a été un pionnier dans l'étude de la thermodynamique.
Principes du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine est un mécanisme fondamental utilisé pour convertir la chaleur en travail mécanique, principalement dans les centrales électriques. Pour mieux comprendre son fonctionnement, analysons les étapes clés de ce processus.
Fonctionnement et étapes clés
Le cycle de Rankine se compose de plusieurs phases distinctes qui fonctionnent en boucle : 1. **Évaporation** : L'eau est chauffée sous haute pression dans une chaudière, se transformant en vapeur en absorbant de la chaleur. 2. **Expansion** : Cette vapeur se détend dans une turbine, transformant l'énergie thermique en énergie mécanique utilisable pour générer de l'électricité. 3. **Condensation** : Après avoir traversé la turbine, la vapeur perd sa chaleur en se condensant en liquide. 4. **Pompage** : Le liquide retourné est pompé à travers le circuit vers la chaudière, réitant le cycle.
Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique qui convertit la chaleur en travail mécanique à l'aide d'un fluide, comme la vapeur d'eau, pour entraîner des turbines.
Supposons que la température de la vapeur à l'entrée de la turbine soit de 450°C et à la sortie, de 30°C. Calculez l'efficacité thermique du cycle en utilisant la formule : \[\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}\]Où :
- \(T_h\) est la température d'entrée (convertie en Kelvin)
- \(T_c\) est la température de sortie (convertie en Kelvin)
Dans la quête d'une meilleure efficacité énergétique, des améliorations comme les cycles de récupération de chaleur et les cycles Rankine organiques (ORC) peuvent être intégrées. Ces derniers utilisent des fluides avec un bas point d'ébullition pour tirer profit de sources de chaleur à basse température, optimisant ainsi la conversion de la chaleur en travail. Une autre approche, la régénération, pourrait également être envisagée. Ce procédé consiste à réutiliser une partie de la chaleur perdue pour préchauffer le fluide de travail avant son retour dans la chaudière. Cette méthodologie vise à réduire la consommation d'énergie primaire tout en augmentant l'efficacité globale du cycle. Cette méthode est particulièrement utile dans les environnements où la chaleur résiduelle est conséquente.
Vous saviez? Le cycle de Rankine est nommé en l'honneur de William John Macquorn Rankine, un ingénieur écossais influent dans le domaine de la thermodynamique.
Efficacité du cycle de Rankine
L'efficacité d'un cycle de Rankine dépend de divers facteurs, notamment les températures maximale et minimale atteintes par le fluide de travail. Optimiser cette efficacité est crucial pour améliorer la performance des centrales électriques.
Cycle de Rankine avec soutirage
Le cycle de Rankine avec soutirage est une variation du cycle classique, où une partie de la vapeur est extraite de la turbine avant qu'elle n'atteigne la dernière étape. Cette approche offre certains avantages :
- Amélioration de l'efficacité thermique
- Réduction des pertes d'énergie
- Possibilité de chauffer l'eau d'alimentation
Considérons un système où la température de la vapeur à l'entrée de la turbine est de 550°C et à la sortie, de 50°C. Si une fraction de vapeur est soutirée à 200°C, vous pouvez calculer l'amélioration de l'efficacité thermique en utilisant les équations de base du cycle. Appliquez la formule : \[\eta = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}\] où :
- \(Q_{out}\) est l'énergie rejetée
- \(Q_{in}\) est l'énergie absorbée
Le soutirage de vapeur est spécifiquement utile dans les centrales thermiques où la récupération maximale de chaleur est cruciale pour optimiser les performances.
Cycle de Rankine diagramme TS
Le diagramme TS (Température-Entropie) est un outil essentiel pour visualiser et analyser le cycle de Rankine. Ce diagramme illustre les variations de température et d'entropie des fluides de travail pendant le cycle, aidant ainsi à comprendre les transformations thermodynamiques également.Les étapes du cycle de Rankine sur un diagramme TS typique incluent :
- Évaporation : passage de l'état liquide à gazeux
- Expansion : réduction de température et d'entropie
- Condensation : conversion de la vapeur en liquide
- Compression : augmentation de température et d'entropie
Le diagramme TS est également utilisé pour étudier les effets de la surcharge et des pertes de chaleur dans un cycle. En observant les cycles élargis sur le diagramme, vous pouvez identifier les opportunités d'optimisation, comme la récupération de chaleur et l'amélioration du rendement des turbines. Cela est particulièrement pertinent car même un léger changement dans les gradients de température peut entraîner d'énormes variations d'efficacité dans de grandes centrales électriques. En outre, ce diagramme permet d'explorer les effets thermodynamiques tels que l'enthalpie et l'entropie qui sont invisibles lors des calculs thermodynamiques standards.
Cycle de Rankine exercice corrigé
Lorsque vous travaillez sur des exercices sur le cycle de Rankine, comprendre les concepts de base et la méthode de résolution des problèmes est crucial. Vous trouverez ci-dessous un exercice guidé qui vous aidera à maîtriser ces concepts.
Considérons un système où la vapeur entre dans la turbine à une pression de 8 MPa et une température de 450°C, et sort de la turbine à 0,1 MPa. Calculez le rendement thermique du cycle.Premièrement, utilisez les tables de vapeur pour déterminer les enthalpies aux différentes étapes.1. Entalpie à l'entrée de la turbine \(h_1\) : 3202 kJ/kg2. Entalpie à la sortie de la turbine \(h_2\) : 2413 kJ/kg3. Entalpie après condensation \(h_3\) : 151 kJ/kg4. Enthalpie après pompage \(h_4\) : 156 kJ/kgVous pouvez calculer l'efficacité thermique \(\eta\) en utilisant la formule suivante : \[\eta = \frac{h_1 - h_2}{h_1 - h_4}\] Ce qui donne :\[\eta = \frac{3202 - 2413}{3202 - 156} \approx 26\text{%}\] Le rendement thermique est d'environ 26%.
Assurez-vous de bien vérifier les valeurs dans les tables de vapeur, car une petite erreur peut affecter considérablement le calcul du rendement thermique.
La maîtrise du calcul des cycles de Rankine va au-delà des simples formules algébriques. Le processus implique une compréhension approfondie des transformations thermodynamiques et un bon jugement dans l'application de tables et diagrammes thermodynamiques. Examiner les effets des changements de pression sur le rendement global peut ouvrir la voie à des améliorations dans la conception des centrales thermiques modernes. En outre, introduire des variations dans la composition du fluide de travail (tel que l'ORC) pourrait optimiser le cycle pour des applications écologiques.
cycles de Rankine - Points clés
- Définition du Cycle de Rankine : Cycle thermodynamique utilisé pour convertir la chaleur en travail mécanique, crucial dans les centrales électriques utilisant des turbines à vapeur.
- Composants du Cycle : Comprend la chaudière, la turbine, le condenseur et la pompe, chaque élément étant fondamental pour le cycle.
- Efficacité du Cycle de Rankine : Calculée par la formule \(\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}\), influencée par les températures maximales et minimales du fluide.
- Cycle de Rankine avec Soutirage : Amélioration du cycle classique en extrayant une partie de la vapeur avant la dernière phase, permettant le préchauffage de l'eau d'alimentation pour augmenter l'efficacité.
- Cycle de Rankine Diagramme TS : Visualise et analyse les transformations thermodynamiques à travers les variations de température et d'entropie du fluide durant le cycle.
- Exercice Corrigé du Cycle de Rankine : Résolution détaillée de calculs thermodynamiques pour une meilleure compréhension des concepts de rendement par l'application pratique de données enthalpiques.
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