Cycle de Rankine : la conversion de la chaleur en travail
Cycle de Rankine. La conversion de la chaleur en travail et ses usages
Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique composé de deux transformations isentropiques et de deux isobares. Son but est de transformer la chaleur en travail à l'aide d'un échangeur de chaleur. C'est la base de la conception des machines à vapeur de tout type.
Dans un processus isentropique, l'entropie du système reste constante tandis que dans un processus isobare, ce qui reste constant est la pression.
Le cycle de Rankine peut être :
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Cycle de Rankine, avec rejet de vapeur d’eau dans l'atmosphère. C’est le cas des anciennes locomotives à vapeur qui avaient besoin de transporter des kg d’eau ainsi que du charbon.
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Cycle de Rankine fermé, comme dans le cas des centrales thermoélectriques. Dans les cycles fermés, la chaleur résiduelle de la condensation de la vapeur peut être utilisée par cogénération.
Comment fonctionne le cycle de Rankine ?
Le cycle de Rankine fonctionne avec quatre processus thermodynamiques. Les états sont identifiés par des nombres (en marron) sur le diagramme entropique T - S (température - entropie.)
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Processus 1-2 : compression isentropique dans la pompe. Le fluide de travail est pompé de basse à haute pression. Étant donné que le fluide est un liquide à ce stade, la pompe nécessite peu d'énergie d'entrée.
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Procédé 2-3 : apport de chaleur à pression constante dans la chaudière. Le liquide à haute pression pénètre dans une chaudière. Il est chauffé à pression constante par un processus isobare par une source de chaleur externe pour devenir une vapeur sèche saturée. Dans cette phase, un changement de phase de l'eau de liquide à gazeux a lieu et les deux points sont sur la courbe de saturation de l’eau.
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Processus 3-4 : détente isentropique en turbine. La vapeur sèche saturée se dilate à travers une turbine à vapeur, générant de l'énergie. D'un point de vue thermodynamique, cela abaisse la température et la pression de la vapeur, et une certaine condensation peut se produire.
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Procédé 4-1 : rejet de chaleur à pression constante dans le condenseur, procédé isobare. La vapeur humide pénètre dans un condenseur, où elle se condense à une pression constante pour devenir un liquide saturé.
Dans un cycle de Rankine idéal, la pompe et la turbine seraient isentropiques. C'est-à-dire que la pompe et la turbine ne généreraient pas d'entropie et par conséquent maximiseraient la sortie de travail nette. Les processus 1-2 et 3-4 seraient représentés par des lignes verticales sur le diagramme TS et ressembleraient davantage au cycle de Carnot.
Le cycle de Rankine illustré ici empêche l'état du fluide de travail de se retrouver dans la région de la vapeur surchauffée après expansion dans la turbine à vapeur. Dans ce cas, l'énergie prélevée par les condensateurs est réduite.
Le cycle de production de vapeur réel diffère du cycle de Rankine idéal en raison des irréversibilités causées par la friction des fluides et la perte de chaleur dans l'environnement. À son tour, la perte de chaleur réduit le rendement net du travail et nécessite l'ajout d'une source chaude à la vapeur.
Il y a des variantes au cycle de Rankine: le cycle de Rankine organique, le cycle de Kalina et le cycle de Hirn.
A quoi sert le cycle de Rankine ?
Le cycle décrit le fonctionnement des machines thermiques dans les centrales thermiques. Les sources de chaleur habituelles pour ces centrales sont les combustibles fossiles, l'énergie solaire ou le combustible nucléaire.
Bien qu'un cycle de Rankine puisse fonctionner avec diverses substances, l'eau est souvent utilisée en raison de plusieurs propriétés favorables. Ces installations utilisent l'eau comme fluide moteur, soit sous forme liquide, soit sous forme de vapeur ou de gaz, avec ce qu'on appelle la turbine à vapeur.
En revanche, il tombe rapidement en désuétude dans le domaine de la traction ferroviaire et de la propulsion marine, supplanté par le moteur Diesel et le moteur électrique.