Rendement turbine à vapeur

[Rachilou]

Bonjour,
On parle d’un rendement isentropique pouvant en pratique aller jusqu’à 0.9 pour une turbine à vapeur. Un rendement de 1 signifierait une détente adiabatique réversible

Si je comprends bien, ça veut dire qu’une partie de la vapeur s’est dilatée mais pas détendue par un travail de détente adiabatique lors du passage de la vapeur dans la turbine.

Plus exactement, ça voudrait dire que la vapeur à subit une détente libre (volume massique plus important sans une baisse de Température), car une partie de la vapeur contourne la turbine et subit des frottements.

Admettons maintenant, un rendement théorique isentropique de 1.

En raisonnant un peu sur le sujet, lors du refroidissement de la vapeur un peu plus loin dans le condenseur, si on tient compte que celui-ci (le condenseur) forme un système ouvert, alors, pour calculer le bilan du refroidissement, on utilise : ΔH = Q = ΔU + PV

Donc la vapeur entrant dans le condenseur est poussée par celle qui se trouve encore dans la turbine. C’est ce qui représente PV dans la formule ci-dessus. Il en découle que la vapeur dans la turbine qui pousse, transfert alors son énergie en finalité dans le condenseur.

En conséquence, il faut plus de « frigories » pour condenser la vapeur.

Donc le rendement de la turbine devrait baisser.

Pourtant, je n’ai pas l’impression que dans le digramme (des frigoristes), qu’il en est tenu compte.

Mon raisonnement n’est peut-être pas bon. Mais pourquoi ?
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[gts2]

Si je comprends bien, ça veut dire qu’une partie de la vapeur s’est dilatée mais pas détendue par un travail de détente adiabatique lors du passage de la vapeur dans la turbine.
Plus exactement, ça voudrait dire que la vapeur à subit une détente libre (volume massique plus important sans une baisse de Température), car une partie de la vapeur contourne la turbine et subit des frottements.

Que veut dire "s’est dilatée mais pas détendue " ?
Il y a des frottements dans la turbine.

On utilise : ΔH = Q = ΔU + PV

ΔH = Q = ΔU + ΔPV, je supose.

Donc le rendement de la turbine devrait baisser.
Pourtant, je n’ai pas l’impression que dans le digramme (des frigoristes), qu’il en est tenu compte.

Le rendement de la turbine est calculé à partir de H, donc c'est pris en compte.
Les frigoristes n'utilisent pas beaucoup les turbines.

En conséquence, il faut plus de « frigories » pour condenser la vapeur.

Plus de ... par rapport à quoi ?

[Rachilou]

Que veut dire "s’est dilatée mais pas détendue " ?
Il y a des frottements dans la turbine.

Oui le terme dilaté n'est pas conforme.
Plutôt une détente à la manière d'une détente de joule - Gay Lusac
Augmentation du volume massique, sans travail, sans baisse de t°, mais avec baisse de pression.

ΔH = Q = ΔU + ΔPV, je suppose.

Oui tout à fait, ou PΔV

Le rendement de la turbine est calculé à partir de H, donc c'est pris en compte.

Donc une turbine ayant un rendement de 0.9, comprend en plus le ΔPV comme transfert d'énergie.
Mais 0.1 de perte, ça me parait faible.

Sauf, si le fait d'avoir presque du vide en bout de circuit, avait de l'importance. Mais je doute.

Les frigoristes n'utilisent pas beaucoup les turbines.

Oui mais les ingénieurs des centrales thermiques utilisent de plus en plus le diagramme des frigoristes (un diagramme de mollier : enthalpie -pression) pour faire le bilan du cycle moteur complet.
https://direns.mines-paristech.fr/Si...diagramme.html

Plus de ... par rapport à quoi ?

Refroidir un gaz diatomique en cycle ouvert demande plus de frigories qu'en cycle fermé.

d'après :

ΔU = n5/2R (ΔT°)

ΔH = n7/2R (ΔT°)

[gts2]

Donc une turbine ayant un rendement de 0.9, comprend en plus le ΔPV comme transfert d'énergie.
Mais 0.1 de perte, ça me parait faible.

C'est la même qu'avec un moteur électrique : un moteur de petit électroménager a un rendement pas vraiment mirifique, mais un moteur de voiture électrique a un rendement très élevée.

Voir : library.e.abb.com/public
dans lequel on trouve :

Sauf, si le fait d'avoir presque du vide en bout de circuit, avait de l'importance. Mais je doute.

Ce qui compte c'est la conception des aubages mais là ce n'est plus vraiment de la thermo.

[A voir en vidéo sur Futura]

[titijoy3]

est ce que la limite de Betz est à prendre en compte dans le rendement d'une turbine ?

[gts2]

La limite de Betz concerne la récupération d'énergie cinétique, ce n'est pas le cas d'une turbine à vapeur.

[titijoy3]

La limite de Betz concerne la récupération d'énergie cinétique, ce n'est pas le cas d'une turbine à vapeur.

ok, merci, je comprend

pour la limite de betz c'est le déplacement de l'air qui rencontre une pale, pour la turbine c'est la pression qui pousse l'aube

[Kondelec]

Bonjour

On parle d’un rendement isentropique pouvant en pratique aller jusqu’à 0.9 pour une turbine à vapeur. Un rendement de 1 signifierait une détente adiabatique réversible

Non, un rendement isentropique de 1 signifie qu'il n'y a pas perte d'entropie. La totalité de l’énergie potentielle de la vapeur est convertie en énergie mécanique, ça n'a rien d'une détente adiabatique, puisque l'enthalpie n'est plus la même en sortie.

Donc la vapeur entrant dans le condenseur est poussée par celle qui se trouve encore dans la turbine. C’est ce qui représente PV dans la formule ci-dessus. Il en découle que la vapeur dans la turbine qui pousse, transfert alors son énergie en finalité dans le condenseur.

Non ce serait plutôt l'inverse : Le condenseur permet d'abaisser la pression en sortie, en quelque sorte on vient "tirer" la vapeur de la turbine.

[gts2]

un rendement isentropique de 1 signifie qu'il n'y a pas perte d'entropie.

Donc ΔS=0

La totalité de l’énergie potentielle de la vapeur est convertie en énergie mécanique.

Donc Q=0

Q=0 et ΔS=0 ce n'est pas une adiabatique (Q=0) réversible (ΔS=Q/T) ?

[Rachilou]

Non ce serait plutôt l'inverse : Le condenseur permet d'abaisser la pression en sortie, en quelque sorte on vient "tirer" la vapeur de la turbine.

Le condenseur permet de condenser le fluide gazeux en fluide liquide et c'est le seul but dans le cycle de Rankine.
Et c 'est pas avec plaisir que le thermicien procède ainsi.
C est essentiellement la chaleur latente (de condensation) qui plombe le rendement du cycle de Rankine de toute évidence.
Mais ça coute pratiquement rien de réintroduire le fluide de travail sous forme liquide avec des pompes HP dans le bouilleur/évaporateur.
Sinon, renvoyer de la vapeur ( avec un volume massique énorme) dans le Bouil/Evap reviendrait à inverser le processus par une compression adiabatique avec au final, plus d'énergie consommée que produite.

Sinon, la pression basse peut être maintenue dans le condenseur ou échangeur du moment qu'on évacue le fluide par le même débit que la turbine.
C 'est la turbine qui fait chuter la pression de la vapeur à condition d'évacuer le fluide en continu pour maintenir la pression de sortie.


ll faudrait vous renseigner sur le pourquoi de L'enthalpie H contrairement à l'énergie interne U pour les processus isobare dans le condenseur.
De toute manière la vapeur qui se détend (avec baisse de T° et de Pression) pousse en cédant de l'énergie par le principe de l'action et de la réaction)

Tout cela n 'est que mon avis, même si c'est présenté sous forme d'affirmation.

[Rachilou]

Non, un rendement isentropique de 1 signifie qu'il n'y a pas perte d'entropie. La totalité de l’énergie potentielle de la vapeur est convertie en énergie mécanique, ça n'a rien d'une détente adiabatique, puisque l'enthalpie n'est plus la même en sortie.

un processus isentropique et réversible est adiabatique;

et,

un processus adiabatique et réversible est isentropique.


voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Processus_adiabatique

[Rachilou]

Le rendement de la turbine est calculé à partir de H, donc c'est pris en compte.

Bonjour,
Est ce que c'est possible de faire la calcul simplement en supposant un gaz parfait diatomique qui passe dans un échangeur thermique ( sans condensation) après la sortie d'une turbine.
Si on prend en considération :
ΔH = Q = ΔU + ΔPV, avec Q = ΔU

Donc :
ΔH = n7/2R (Δt°)
ΔH = n5/2R (Δt°) + n2/2R (Δt°)

d'où, n2/2R (Δt°) = PΔV

On comprend que, quelque soit la pression de sortie du gaz dans la turbine, ΔH ne dépend que de Δt°.
On voit aussi que la part d'énergie qui devrait directement passer dans l'échangeur serait de 2/2 sur les 7/2 ce qui fait beaucoup trop pour un rendement isentropique de 0.9.
Que pensez-vous de mon raisonnement ? est-il juste?

[gts2]

Bonjour,

Vous faites le calcul avec un échangeur isobare et vous concluez sur une turbine c'est difficile à suivre.

Dans le cas d'une turbine idéale avec un gaz idéal W=ΔH ne dépend que de Δt mais Δt dépend de ΔP, donc où voulez-vous en venir ?

Je pense que vous avez un problème avec la définition de rendement isentropique : (e pour entrée, s pour sortie, S pour isentropique à la même pression), U n'intervient nulle part.

[Rachilou]

Vous faites le calcul avec un échangeur isobare et vous concluez sur une turbine c'est difficile à suivre.

Oui la transformation se fait de manière constante (isobare) dans l'échangeur à la manière d'un système ouvert.

Mais s'il y a une transformation isobare, alors c'est qu'un autre système agit de l'extérieur pour maintenir la pression constante (donc en + n2/2R (Δt°).

Regardons la turbine comme le système extérieur;

L'échange d'énergie (W) provient dans ce cas, soit que du gaz sortant de la turbine (après la turbine), soit tout le long du gaz se trouvant dans la turbine.
En fait, mon questionnement se situe à ce niveau.
Si c'était le gaz se trouvant dans la turbine, alors le rendement isentropique baisserai anormalement.
Ce qui n 'est le cas.

[gts2]

L'échange d'énergie (W) provient dans ce cas, soit que du gaz sortant de la turbine (après la turbine), soit tout le long du gaz se trouvant dans la turbine.

Dans une turbine, ce qui fait tourner l'arbre, c'est l'action du gaz sur les aubes à l'intérieur de la turbine, donc la deuxième proposition.

Si c'était le gaz se trouvant dans la turbine, alors le rendement isentropique baisserait anormalement.

Je ne comprends pas : dans l'idéal il vaut 1, la réalité fait qu'il est plus petit, ce serait quoi une baisse anormale ?

[Rachilou]

Dans une turbine, ce qui fait tourner l'arbre, c'est l'action du gaz sur les aubes à l'intérieur de la turbine, donc la deuxième proposition.

Non je parle du travail sur le gaz se trouvant dans l'échangeur.

[Rachilou]

Je ne comprends pas : dans l'idéal il vaut 1, la réalité fait qu'il est plus petit, ce serait quoi une baisse anormale ?

Une détente supplémentaire du gaz de la turbine directement dans l'échangeur.
D'où une perte d'énergie supplémentaire dans la turbine au delà du travail sur les aubes, ce qui fait baisser le rendement.
Mais, ça doit pas être ceci, qui doit se réaliser.

[gts2]

C'est tout l'intérêt de raisonner avec H, ce travail a été pris en compte lorsqu'on est passé de H à U.
Raisonner avec H permet d'"oublier" ce travail.
Donc le fait que l'on écrive pour une turbine W=ΔH fait que les deux travaux amont aval sont pris en compte "automatiquement".
A partir de là, on ne raisonne plus qu'avec H, et par exemple le rendement isentropique de la turbine w(réel)/w(idéal) est le rapport des ΔH.

Raisonner avec U obligerait à recommencer sans cesse de calculer ces travaux aval et amont, donc on le fait une fois pour toutes.

[gts2]

Une détente supplémentaire ... serait possible si la pression de sortie de la turbine était différente de celle d'entrée dans la condenseur.
Dans une tuyère c'est possible, il y a alors création d'une onde de choc et dégradation des performances de la tuyère.
Je ne sais pas si c'est possible avec une turbine, mais si jamais cela l'était, on rectifierait la liaison entre les deux (laisser une onde de choc dans un dispositif industriel ...)