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Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Cycle de Rankine

Cycle de Rankine

Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique composé de deux transformations isoentropiques et de deux isobares. Son but est de transformer la chaleur en travail. C'est la base de la conception des moteurs à vapeur de tout type.

Ce cycle est généralement adopté principalement dans les centrales thermoélectriques pour la production d'énergie électrique et utilise l'eau comme fluide moteur, soit sous forme liquide, soit sous forme de vapeur ou de gaz, avec la turbine à vapeur. Pour cette utilisation, l'eau est déminéralisée et dégazée correctement.

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. Au contraire, il reste indispensable pour les équipements de moteurs nucléaires (centrales, sous-marins et porte-avions).

Le cycle de Rankine peut être:

Cycle Rankine ouvert, c'est-à-dire le rejet de vapeur dans l'atmosphère (comme c'était le cas pour les anciennes locomotives à vapeur, qui devaient transporter, en plus du charbon, de l'eau).

Cycle de Rankine fermé, comme dans le cas des installations thermoélectriques, y compris les installations à cycle combiné. Il est possible d'exploiter la chaleur résiduelle de condensation de la vapeur (cogénération), même en la transportant à travers un réseau de chauffage urbain.

Les quatre processus du cycle de Rankine

diagramme de la température d'entropie du cycle de Rankine

Il y a quatre processus thermodynamiques dans le cycle de Rankine. Les états sont identifiés par des numéros (en marron) dans le diagramme T - S (température - entropie.)

Processus 1–2: 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.

En d'autres termes, le processus 1-2 implique une compression isentropique dans la pompe, un processus isentropique.

Processus 2–3: Le liquide haute pression pénètre dans une chaudière où il est chauffé à pression constante par un processus isobare par une source de chaleur externe pour devenir une vapeur sèche saturée. L'énergie d'entrée requise peut être facilement calculée graphiquement, à l'aide d'un graphique enthalpie-entropie (graphique hs ou diagramme de Mollier), ou numériquement, à l'aide de tables de vapeur.

En d'autres termes, le processus 2-3 correspond à l'ajout de chaleur à pression constante dans la chaudière, un processus isobare.

Processus 3–4: La vapeur sèche saturée se dilate dans 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. Le résultat de ce processus peut être facilement calculé à l'aide du graphique ou des tableaux indiqués ci-dessus.

En d'autres termes, le processus 3-4 est l'expansion de la turbine isentropique, processus isentropique.

Processus 4–1: la vapeur humide entre dans un condenseur où elle se condense à pression constante pour devenir un liquide saturé.

En d'autres termes, le processus 4-1 correspond au rejet de chaleur à pression constante dans le processus du condensateur, processus isobare.

Dans un cycle de Rankine idéal, la pompe et la turbine seraient isentropiques, c'est-à-dire qu'elles ne généreraient pas d'entropie et maximiseraient donc la production nette de main-d'œuvre. Les processus 1–2 et 3–4 seraient représentés par des lignes verticales dans le diagramme T-S et ressembleraient davantage au cycle de Carnot. Le cycle Rankine présenté ici empêche l'état du fluide de travail de se retrouver dans la zone de vapeur surchauffée après la détente dans la turbine à vapeur, ce qui réduit l'énergie éliminée par les condenseurs.

Le cycle actuel de l'énergie à la vapeur diffère du cycle de Rankine idéal en raison des irréversibilités inhérentes aux composants inhérents causées par le frottement des fluides et les pertes de chaleur dans l'environnement; le frottement du fluide provoque des chutes de pression dans la chaudière, le condenseur et le tuyau entre les composants et, par conséquent, la vapeur quitte la chaudière à une pression plus basse; Les pertes de chaleur réduisent la production nette de travail. Il est donc nécessaire d'ajouter de la vapeur à la chaudière pour maintenir le même niveau de production nette.

Cycle organique de Rankin

Un cycle de Rankin organique ou ORC est un processus de Rankin avec un solvant organique tel que le propane, l'isobutane, l'isopentane ou l'ammoniac à la place de la vapeur. Une turbine est souvent utilisée pour cela. Etant donné qu'un solvant organique a un point d'ébullition inférieur à celui de l'eau, le cycle organique de Rankin permet d'extraire de l'énergie d'une température inférieure à 100 ° C. Ce cycle est donc particulièrement adapté à l'utilisation de la chaleur résiduelle.

Principe de fonctionnement du cycle organique de Rankin

Le principe de fonctionnement du cycle organique de Rankin est identique à celui du cycle de Rankin: le fluide de travail est pompé vers une chaudière où il s'évapore, passe à travers un dispositif de détente (turbine ou autre détendeur), puis un échangeur de chaleur du condenseur où il se condense finalement à nouveau. Dans le cycle idéal décrit modèle théorique du moteur, la dilatation isentropique et les processus thermodynamiques d'évaporation et de condensation isobare. Dans un cycle réel, la présence d'irréversibilité réduit l'efficacité du cycle. Ces irréversibilités se produisent principalement lors de la détente et dans les échangeurs de chaleur.

Irréversibilités lors de la dilatation: alors, seule une partie de l'énergie est obtenue et la différence de pression devient un travail utile. L'autre partie devient de la chaleur et est perdue. L'efficacité de l'extenseur est déterminée par comparaison avec une expansion par un processus isentropique.

Irréversibilités dans les échangeurs de chaleur: le liquide emprunte un chemin long et sinueux qui garantit un bon échange d' énergie thermique, mais garantit que la pression chute, ce qui permet de réduire la quantité d'énergie dans le cycle. La différence de température entre la source de chaleur / le puisard et le fluide de travail génère également de l'exergie et réduit les temps de cycle.

Dans le cas d'un "fluide sec", le cycle organique de Rankin peut être amélioré à l'aide d'un régénérateur car le fluide n'atteint pas l'état biphasique à la fin de la détente, la température à ce stade sera supérieure à la température de condensation. Cette température plus élevée peut être utilisée pour chauffer le liquide avant qu'il ne pénètre dans l'évaporateur. Par conséquent, un échangeur de chaleur à reflux est monté entre la sortie du détendeur et l'entrée de l'évaporateur. La puissance requise de la source de chaleur est réduite de moitié et l'efficacité augmentée.

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Dernier examen: 27 août 2019