Vapeur surchauffée et diagramme de phases de la vapeur

Vapeur surchauffée

Lorsque la vapeur saturée générée dans une chaudière à vapeur est passée à travers des surfaces de transfert de chaleur, sa température commence à augmenter au-dessus de la température d'évaporation ou de saturation. La vapeur est décrite comme surchauffée si sa température est supérieure à sa température de saturation. Le degré de surchauffe est directement lié à la température de la vapeur chauffée au-dessus de la température de saturation.

La surchauffe ne peut être apportée qu'à la vapeur saturée et non à la vapeur contenant de l'humidité. Pour obtenir une surchauffe, la vapeur saturée doit passer par un autre échangeur de chaleur. Cet échangeur de chaleur pour la surchauffe est appelé un échangeur de chaleur secondaire à l'intérieur de la chaudière. Les gaz de combustion chauds sortant de la chaudière sont considérés comme le meilleur moyen de chauffer la vapeur saturée.

La vapeur surchauffée trouve son application dans les centrales thermiques à vapeur pour la production d'énergie électrique. Dans les turbines à vapeur, la vapeur surchauffée entre à une extrémité et sort de l'autre extrémité vers le condenseur (qui peut être de type refroidi par eau ou par air). La différence d'énergie de la vapeur surchauffée entre l'entrée et la sortie de la turbine provoque la rotation du rotor de la turbine. Il y a une réduction progressive de l'énergie de la vapeur pendant son passage à travers le rotor de la turbine.

Il est donc essentiel d'avoir une surchauffe suffisante à l'entrée de la turbine afin d'éviter la condensation de la vapeur humide dans la partie arrière du rotor de la turbine.

En général, le rotor de la turbine à vapeur comporte plusieurs étages et la vapeur doit passer par chaque étage avant d'atteindre le condenseur. Si une surchauffe suffisante n'est pas fournie à la vapeur à l'entrée de la turbine, la vapeur peut devenir saturée lorsqu'elle atteint les étages ultérieurs du rotor et se mouiller davantage en passant par chaque étage successif.

La vapeur humide à l'extrémité arrière du rotor est très dangereuse car elle peut entraîner un coup de bélier et une érosion sévère aux derniers étages des pales de la turbine. Pour surmonter ce problème, il est conseillé de concevoir les paramètres de la vapeur à l'entrée de la turbine de telle manière que la vapeur surchauffée puisse entrer à l'entrée de la turbine et que l'évacuation de la turbine soit conçue pour correspondre aux paramètres de la vapeur proches des conditions de saturation.

L'une des principales raisons d'utiliser la vapeur surchauffée dans les turbines à vapeur est l'amélioration appréciable de l'efficacité thermique du cycle.

L'efficacité d'un moteur thermique peut être trouvée en utilisant soit :

L'efficacité du cycle de Carnot : Rapport de la différence de température entre l'entrée et la sortie à la température d'entrée.

L'efficacité du cycle de Rankine : Rapport de l'énergie thermique à l'entrée et à la sortie de la turbine à l'énergie thermique totale prélevée de la vapeur.
2. Exemple de calcul de l'efficacité du cycle de Carnot et du cycle de Rankine.
Exemple expliqué :
Une turbine est alimentée en vapeur surchauffée à 96 bar à 490oC. L'évacuation est à 0,09 bar et à 12 % d'humidité.
La température de la vapeur saturée est : 43,7oC
Déterminer et comparer l'efficacité du cycle de Carnot et du cycle de Rankine.
Procédure pour déterminer l'efficacité du cycle de Carnot :

Procédure pour déterminer l'efficacité du cycle de Rankine :
Où,

Chaleur latente dans le condensat correspondant à une pression d'évacuation de 0,09 bar en KJ/Kg = 183,3
3.
Le diagramme de phase de la vapeur est une représentation graphique des données fournies dans la table de vapeur. Le diagramme de phase de la vapeur fournit la relation entre l'enthalpie, la température correspondant à diverses pressions. L'enthalpie liquide hf. Ceci est représenté par la ligne A-B sur le diagramme de phase. Lorsque l'eau commence à recevoir de la chaleur à partir de 0o C, elle reçoit toute son enthalpie liquide le long de la ligne d'eau saturée A-B sur le diagramme de phase.

Enthalpie de la vapeur saturée (hfg): Toute addition de chaleur supplémentaire entraîne un changement de phase en vapeur saturée et est représentée par (hfg) sur le diagramme de phase, c'est-à-dire B-C.

Fraction de sècheresse (x) : Lorsque la chaleur est appliquée, le liquide commence à changer de phase de liquide à vapeur et la fraction de sècheresse du mélange commence à augmenter, c'est-à-dire à se rapprocher de l'unité. Sur le diagramme de phase, la fraction de sècheresse du mélange est de 0,5 exactement au milieu de la ligne BC. De même, au point c sur le diagramme de phase, la valeur de la fraction de sècheresse est de 1.

Ligne C-D Point c est sur la ligne de vapeur saturée, toute addition de chaleur supplémentaire entraîne une augmentation de la température de la vapeur, c'est-à-dire le début de la surchauffe de la vapeur représentée par la ligne C-D.
Zone liquide → Région située à gauche de la ligne d'eau saturée
Zone de surchauffe → Région située à droite de la ligne de vapeur saturée
Zone à deux phases → Zone entre la ligne d'eau saturée et la ligne de vapeur saturée, mélange de liquide et de vapeur. Mélange avec des fractions de sècheresse variables.
Point critique → C'est le point culminant où les lignes d'eau saturée et de vapeur saturée se rejoignent. L'enthalpie d'évaporation diminue à zéro au point critique, cela signifie que l'eau change directement en vapeur au point critique et par la suite.
La température maximale qu'un liquide peut atteindre ou exister est équivalente au point critique.
Paramètres du point critique → Température 374,15oC
Pression → 221,2 bar

Les valeurs au-dessus de celles-ci sont des valeurs supercritiques et sont utiles pour augmenter l'efficacité du cycle de Rankine.

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