Cycle de Rankine pour les chauffe-eau fermés et la cogénération au cycle de Rankine
Cycle de Rankine avec chauffe-eau fermés
Le cycle de Rankine avec chauffe-eau fermés présente des avantages et est le plus couramment utilisé dans toutes les centrales électriques modernes. Le chauffe-eau fermé utilise un mode indirect de transfert de chaleur, c'est-à-dire que la vapeur extraite ou dérivée de la turbine transmet sa chaleur indirectement à l'eau d'alimentation dans un échangeur de chaleur à tubes et calandre. Puisque la vapeur et l'eau ne se mélangent pas directement, les circuits de vapeur et d'eau sont à des pressions différentes. Un chauffe-eau fermé dans un cycle est représenté sur un diagramme T-s comme indiqué ci-dessous dans la Fig. 1.
Théoriquement ou idéalement, le transfert de chaleur dans un chauffe-eau fermé devrait être tel que la température de l'eau d'alimentation soit augmentée jusqu'à la température de saturation de la vapeur d'extraction (en chauffant l'eau d'alimentation).
Mais en pratique, la température maximale que l'eau d'alimentation peut atteindre est généralement légèrement inférieure à celle de la température de saturation de la vapeur. La raison peut être qu'un gradient de température de quelques degrés est nécessaire pour un transfert de chaleur efficace et efficient.
Cette condensation ou vapeur condensée provenant de la coquille du chauffe-eau sera transférée au prochain chauffe-eau (à basse pression) dans le cycle ou parfois au condenseur.
Différencier entre chauffe-eau ouvert et chauffe-eau fermé
Les chauffe-eau ouverts et fermés peuvent être différenciés comme suit :
Chauffe-eau ouvert |
Chauffe-eau fermé |
Ouvert et simple |
Plus complexe en conception |
Bons caractéristiques de transfert de chaleur |
Moins efficace en termes de transfert de chaleur |
Mélange direct de la vapeur d'extraction et de l'eau d'alimentation dans un récipient sous pression |
Mélange indirect de l'eau d'alimentation et de la vapeur dans un échangeur de chaleur à tubes et calandre. |
Une pompe est nécessaire pour transférer l'eau vers la prochaine étape du cycle. |
Les pompes de chauffe-eau fermées n'ont pas besoin de pompe et peuvent fonctionner avec la différence de pression entre les différents chauffe-eaux dans le cycle. |
Nécessite plus d'espace |
Nécessite moins d'espace |
Moins coûteux |
Plus coûteux |
Toutes les centrales électriques modernes utilisent une combinaison de chauffe-eau ouverts et fermés pour maximiser l'efficacité thermique du cycle.
Phénomène de cogénération
La thermodynamique appliquée s'intéresse à la conversion de formes précieuses d'énergie (chaleur) en travail. Dans les centrales électriques, cela est réalisé en transférant cette énergie au fluide de travail appelé eau. L'objectif est donc d'éviter le gaspillage de la chaleur de la vapeur dans les condenseurs des turbines à vapeur. Cela est possible si on trouve des moyens d'utiliser la vapeur à basse pression qui va dans le condenseur.
La cogénération est le concept d'utilisation de la chaleur de la vapeur pour un usage utile, plutôt que de la gaspiller (actuellement gaspillée dans les condenseurs).
La cogénération signifie Production Combinée de Chaleur et d'Électricité (PCH), c'est-à-dire la production simultanée de chaleur et d'électricité pour l'industrie nécessitant de la vapeur pour le chauffage de processus. Dans une centrale de cogénération, la chaleur et l'électricité sont utilisées judicieusement, de sorte que son rendement peut atteindre 90 % ou plus. La cogénération offre des économies d'énergie.
La cogénération permet de réduire le gaspillage de grandes quantités de vapeur, qui peuvent être utilisées dans de nombreux appareils sous forme de chaleur. La plupart des industries comme le papier et la pâte, la chimie, la textile et la fibre, et le ciment dépendent de la centrale de cogénération pour le chauffage de processus. Les besoins en vapeur de processus dans ces industries sont de l'ordre de 4 à 5 kg/cm2 à une température d'environ 150 à 180°C.
L'industrie du papier, de la chimie et de la textile nécessite à la fois de l'électricité et de la vapeur de processus pour atteindre leurs objectifs. Ce besoin peut être facilement satisfait en installant une centrale de cogénération.
La température à l'intérieur de la chaudière est de l'ordre de 800°C à 900°C et l'énergie est transférée à l'eau pour produire de la vapeur à une pression de 105 bar et une température d'environ 535°C pour les centrales de cogénération. La vapeur à ces paramètres est considérée comme une source d'énergie de très bonne qualité et est donc d'abord utilisée dans la turbine à vapeur pour produire de l'électricité, et l'évacuation de la turbine (énergie de faible qualité) est utilisée pour répondre aux besoins de vapeur de processus.
La centrale de cogénération est connue pour répondre aux besoins en électricité tout en répondant aux besoins en vapeur de processus des procédés industriels.
La cogénération idéale à turbine à vapeur est illustrée dans la figure 2 ci-dessus. Supposons que le besoin en chaleur de processus Qp soit de 5,0 kg/cm2 à environ 100 kW. Pour répondre aux besoins en vapeur de processus à 5,0 kg/cm2, la vapeur est dilatée dans la turbine jusqu'à ce que la pression de la vapeur descende à 5,0 kg/cm2 et produit ainsi environ 20 kW d'électricité.
Le condensat provenant du chauffe-processus est recyclé vers la chaudière pour un fonctionnement cyclique. Le travail de la pompe nécessaire pour augmenter la pression de l'eau d'alimentation dans le cycle est considéré comme négligeable et n'est donc pas pris en compte.
Toute l'énergie transférée au fluide de travail dans la chaudière est utilisée soit dans la turbine à vapeur, soit dans l'usine de processus, de sorte que le facteur d'utilisation de la centrale de cogénération est :
Où,
Qout
