Cycle de Rankine : perte réfrigération et surchauffe vapeur

[invite428667c9]

Bonjour à tous,

je suis en train de travailler sur un modèle classique de machine thermique à eau (compresseur + chaudière + turbine + condenseur).
Son fonctionnement est modélisé selon le cycle de Hirn.
Habituellement, on essaie surtout d'étudier les moyens d'améliorer le rendement du cycle. Mais dans mon cas je dois réfléchir sur deux points un peu différents :

1) La vapeur d'eau à la sortie de la turbine est-elle saturée ou surchauffée ?
Selon moi, cela dépend juste des conditions de fonctionnement. Mais dans l'idéal pour protéger les aubages de la turbine il est préférable de conserver une vapeur surchauffée.

2) Quelle est la conséquence à long terme d'une perte de la source froide de réfrigération du condenseur ?
Je pense que si on perd la source froide, le condenseur évacue moins de chaleur.
Donc l'énergie de l'eau (liquide ou vapeur) dans le condenseur augmente. Or comme on travaille à volume constant on a delta U = Cv delta T donc si l'énergie augmente, la température augmente.
J'en conclus que la pression augmente aussi en conséquence.
Au final la détente entre l'amont et l'aval de la turbine est moins importante et le travail utile diminue.


Par ailleurs on m'assure que le rendement diminue et je ne comprends pas pourquoi car rien ne me dit que la somme des énergies de compression et de chauffage à fournir vont rester constantes (le dénominateur de la formule du rendement dans notre cas).
Sans réfrigération du condenseur, le rendement tend-il à devenir nul au final ou tend-il simplement vers une valeur limite basse ?


Mes réponses sont approximatives et je ne saisis pas bien toutes les subtilités de ces questions.

Merci de votre aide
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[invite428667c9]

Pour la question du rendement, peut-être qu'on peut dire que l'énergie apporté par la chaudière est constante et que le travail de la pompe, certes s'adapte au delta de pression condenseur chaudière, mais reste faible dans tous les cas. D'où, peut-être, l'explication de la baisse de rendement.

[petitmousse49]

Bonjour
Il y a classiquement deux façons d'améliorer le cycle de Hirn. Comme tu l'as écrit justement, la sortie de la turbine doit correspondre à de la vapeur sèche. Cela correspond souvent à des valeurs de P et T en entrée de turbine trop importantes. On utilise donc une turbine multiétagée en réchauffant la vapeur de manière isotherme entre deux étages successifs.Cela se traduit pas moins d'usure de la turbine et un meilleur rendement.
L'autre amélioration classique consiste à utiliser l'effet "percolateur" : on prélève un peu de vapeur en amont de la turbine pour l'injecter à la sortie de la pompe. la liquéfaction de cette vapeur réchauffe l'eau avant son entrée dans la chaudière. Il y a un calcul à faire pour que la perte de puissance de la turbine due à ce prélèvement permette une économie importante de chauffage au niveau de la chaudière, augmentant ainsi le rendement thermodynamique de l'installation.
Ta question n° 2 n'est pas très claire...

[phys4]

Bonjour,
C'est d'accord pour la péponse 1, la vapeut doit être surchauffée sinon elle se condense dès d'entrée de la turbine.

Pour la réponse 2, l'absence de condenseur oblige à rejeter la vapeur dans l'atmosphère, cette évacuation est équivalente à une source froide à 100°C, d'où la perte de rendement.
La variation de puissance de la pompe est négligeable car l’essentiel de la puissance est nécessaire pour remettre le liquide à la pression de la chaudière.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite428667c9]

Merci pour vos réponses.
Je suis navré mais je ne comprends pas pourquoi :
- la perte de la source froide (réfrigération condenseur) oblige à laisser partir de la vapeur dans l'atmosphère ;
- la cession de vapeur dans l'atmosphère induit une baisse du rendement.

[phys4]

Si vous n'avez plus de source froide pour condenser la vapeur, vous êtes obligé de la laisser partir, sinon votre système va exploser.
Et si vous gardez la vapeur sous pression, votre turbine s’arrête complétement.

Renvoyez la vapeur dans l'atmosphère met la pression de sortie à 1 bar, soit l'équivalent d'un condenseur à 100°C, c'est le principe des locomotives à vapeur. Un bon condenseur permet de descendre la pression de sortie à moins de 0,25 bar, donc plus de puissance récupérable.

[invite428667c9]

Merci je comprends bien maintenant la nécessité du rejet.
Mais concernant l'impact sur le rendement, en quoi le fait de perdre de la vapeur fait diminuer le rendement de l'installation ?

[phys4]

La pression en sortie de turbine joue un rôle important, si vous descendez cette pression, la détente est plus grande et permet de récupérer plus d'énergie thermique.
Dans le cycle de Carnot cela veut dire une température de source froide plus basse et donc une fourchette de rendement possible plus large.
*Si vous condensez la vapeur à 100°C vous avez une basse pression de 1 bar, si vous la condensez à 60°C vous avez 1/5 de bar en sortie de turbine.

[invite428667c9]

C'est parfait merci !