Qu'est-ce que le cycle de Rankine et comment est-il défini ?

Evelyn Maitee Marin
Ingénieur Industriel, MSc en Physique, et EdD

Cycle de puissance thermodynamique idéal, dont le but est d'obtenir un travail utile à partir d'une source de chaleur. Son efficacité est limitée par l'équivalent Cycle de Carnot qui opère entre les mêmes gammes de température et qui obéit à la seconde loi de la thermodynamique. Son nom fait référence au physicien, ingénieur et éducateur William John Macguorn Rankine (1820-1872), qui a développé ce modèle dans sa ville natale, l'Ecosse.

Le cycle de Rankines est d'une grande importance, puisque ce modèle est utilisé comme base pour décrire les cycles thermodynamiques de nombreux centrales électriques, à la fois à partir de sources non renouvelables, telles que les centrales thermoélectriques au charbon, le mazout ou nucléaire; et aussi, les cycles thermodynamiques avec des sources renouvelables, comme les centrales solaires thermiques ou les centrales géothermiques.

L'image montre une centrale thermique. Dans la plupart de ces usines, des composants tels que des régénérateurs sont incorporés, dont le but est d'augmenter l'efficacité du cycle et d'améliorer ses performances.

Composants de base du cycle de Rankine

Bien que le cycle de Rankine puisse incorporer diverses améliorations et composants, dont le but est d'augmenter l'efficacité du cycle; Quatre appareils de base sont nécessaires pour compléter le circuit. Ceux-ci sont:

• La pompe: c'est l'organe chargé d'augmenter la pression du fluide caloporteur à partir de la pression minimum (pression de service du condenseur), jusqu'à la pression maximale (pression de service du Chaudière). Les pompes ne peuvent fonctionner qu'avec des substances à l'état liquide et non avec des mélanges, et dans des conditions idéales, le processus de La compression est effectuée de manière isentropique, bien qu'en réalité il y ait toujours une augmentation de l'entropie pendant la compression. compression.

• Le condenseur: c'est le système chargé d'échanger la chaleur avec un réservoir à basse température (il peut s'agir de rivières, de lacs ou d'autres sources), afin d'obtenir un changement de phase de la vapeur (ou du mélange) en sortie de turbine, jusqu'à ce qu'elle atteigne un état liquide avant d'entrer dans la pompe. Il s'agit généralement d'un serpentin ou de tuyaux à travers lesquels le fluide circule en interne. fonctionne et transfère la chaleur au fluide utilisé comme fluide de refroidissement sans réellement mélanger Avec ça. Idéalement, le condenseur fonctionne à pression constante, bien qu'en pratique, de légères chutes de pression se produisent pendant le processus de condensation. condensation.

• La chaudière (ou son équivalent): c'est l'élément ou l'espace où s'effectue l'apport de chaleur au système, et cette source de chaleur peut provenir de diverses sources (combustion d'un carburant fossiles, combustion de la biomasse, gisements géothermiques, énergie le solaire thermique ou la chaleur générée lors de la fission nucléaire). Le fluide haute pression doit entrer dans la chaudière et celle-ci est chargée de lui fournir la chaleur nécessaire pour l'amener à l'état de vapeur (ou vapeur surchauffée) avant d'être détendu dans la turbine. Idéalement, les chaudières fonctionnent à pression constante, bien qu'en pratique des chutes de pression se produisent pendant le processus d'ajout de chaleur.

• La turbine à vapeur: dans les cycles thermodynamiques, les turbines remplissent la fonction inverse de la pompes, c'est-à-dire que leur objectif est de détendre la vapeur à la sortie de la chaudière pour l'amener à une pression mineure. Pendant le processus de détente, l'impact des particules de vapeur sur les aubes de la turbine provoque la rotation de l'arbre du rotor produisant énergie mécanique, qui, à son tour, peut être transformé en énergie électrique lorsqu'il est couplé à un générateur. Dans des conditions idéales, le processus de détente dans la turbine s'effectue de manière isentropique, mais en raison des irréversibilités, des augmentations de enthalpie.

Le cycle élémentaire de Rankine

Ce cycle, dans sa version élémentaire, est composé de quatre processus: deux isobares et deux isentropiques, comme le montre la figure. schème. La zone délimitée par les frontières des 4 états représente le travail net du cycle (w_filet), qui est directement liée au rendement thermique du cycle.

Le processus idéal suivi par le fluide de travail (il peut s'agir d'eau ou d'une autre substance) est le suivant :

La substance à l'état liquide entre dans la pompe où elle est comprimée à la pression de la chaudière (état 2). Dans la chaudière, le liquide est chauffé et change de phase, passant d'un liquide à un mélange puis à une vapeur. Si de la chaleur continue à être ajoutée au-delà de l'état de vapeur saturée, la substance devient une vapeur surchauffée, augmentant sa température (état 3). Ensuite, la vapeur entre dans la turbine pour se détendre jusqu'à ce qu'elle atteigne la pression minimale (état 4) et entre dans le condenseur où il va perdre de la chaleur pour passer de l'état de vapeur (ou de mélange) à liquide (état 4) complétant le circuit.

Efficacité du cycle de Rankine

Le rendement thermique est lié à la surface délimitée par la région délimitée par les 4 états du cycle, qui ce qui signifie que pour un apport de chaleur constant, plus le travail net est important, plus l'efficacité du cycle. Le travail net (w_filet) est la différence du travail généré par la turbine (w_sortie) moins le travail effectué par la pompe (w_entrée). D'autre part, l'efficacité du cycle peut également être augmentée en réduisant la quantité de chaleur qui doit être fournie à la chaudière (q_entrée), et l'une des façons d'y parvenir est d'incorporer des réchauffeurs (ouverts ou fermés) dans le cycle, dont la fonction principale est de préchauffer l'eau de alimentation (eau qui entre dans la chaudière) grâce aux extractions de vapeur de la turbine; cela ferait du circuit un cycle de Rankine régénératif.

Dans la dernière équation, la variable h représente l'enthalpie dans chaque état, et les valeurs sont obtenues à partir des tables de vapeur du fluide de travail à partir des conditions de pression et/ou de température.

Les améliorations apportées au cycle de Rankine visent à augmenter la surface qui représente le travail net du cycle ou à réduire la chaleur fournie par la chaudière.