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1 - CYCLES DES INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR

2 - COGÉNÉRATION. ÉNERGIE TOTALE

3 - CYCLES COMBINÉS

| Réf : BE8053 v1

Cogénération. Énergie totale
Convertisseurs thermomécaniques - Cycles moteurs à vapeur et combinés. Cogénération

Auteur(s) : André LALLEMAND

Date de publication : 10 avr. 2007

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RÉSUMÉ

On trouve les installations motrices à vapeur dans les grandes centrales de production d’électricité et sur des sites industriels. Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Pour augmenter encore le rendement de ces machines, diverses évolutions leur sont apportées. Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique.

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ABSTRACT

Steam engine installations are found in large electricity generating stations and industrial facilities. The basic cycles, called Rankine cycles, are close to Carnot cycles, thus giving an experiment affirmed guarantee of efficiency. To further increase the output, a variety of modifications are carried out on these machines. As for all heat engines, the heat exhaust from these steam installations is large and its recuperation is vital. Consequently, the production of the steam plant consists of two types of energy: mechanical (or electrical) and thermal.

Auteur(s)

  • André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur ès Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

INTRODUCTION

Les installations motrices à vapeur (IMV), qui ont pour origine les cycles thermodynamiques à vapeur, correspondent aux moteurs les plus puissants. Ce sont des machines à apport de chaleur externe fournie soit par une combustion, soit par une réaction nucléaire. On les trouve dans les grandes centrales de production d’électricité, classiques ou nucléaires, où leur puissance atteint plus de un gigawatt. On les rencontre également avec des tailles plus modestes sur des sites industriels pour opérer dans un grand nombre de procédés industriels à des puissances pouvant aller d’une centaine de kilowatts à quelques centaines de mégawatts.

Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, ce qui, a priori, est un gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Cependant, des raisons techniques entraînent des modifications qui vont dans le sens d’une détérioration du rendement, compensée par certaines améliorations. Le cheminement de ces diverses évolutions est présenté dans ce dossier.

Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. Elle peut être valorisée comme apport thermique nécessaire à de nombreux procédés industriels ou pour le chauffage résidentiel ou tertiaire par l’intermédiaire de réseaux de chaleur. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique. On parle de production d’énergie totale ou encore de cogénération. Des cas typiques d’installations ainsi qu’une analyse énergétique suivie d’une analyse thermo- économique de l’intérêt d’une telle production sont présentés dans ce document.

Dans le dossier Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule, la perte d’énergie à l’échappement des turbines à combustion (TAC) a été soulignée. Compte tenu du niveau thermique relativement faible retenu pour un fonctionnement classique des IMV, l’apport externe de chaleur, produit ordinairement par une combustion ou une réaction nucléaire, peut être remplacé par l’apport enthalpique des gaz d’échappement de la TAC. Sous l’aspect cycle, le couplage de ces deux machines est traduit par la combinaison d’un cycle de Joule avec un cycle de Hirn. Ceci donne lieu aux installations dites à cycles combinés dont le rendement est, actuellement, le plus élevé de toutes les machines thermiques.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8053


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2. Cogénération. Énergie totale

La cogénération correspond à une production conjointe de chaleur et d’énergie mécanique (ou électrique). Ce procédé est encore appelé « énergie totale » (total energy pour les anglo-saxons) car il consiste, pour les convertisseurs thermomécaniques, à valoriser au maximum l’énergie thermique cédée à la source froide Qm qui, généralement est de l’énergie thermique à basse température, donc à faible contenu exergétique (Convertisseurs thermomécaniques- Conversion de l’énergie. Cycles générateurs, § 2.3.1) :

( 9 )

avec :

Ta
 : 
température ambiante
Θ
 : 
facteur de Carnot.

Ainsi, pour augmenter l’exergie de cette chaleur Qm donc la valoriser, il faut augmenter la température du « rejet » ou « déchet » thermique. Plusieurs techniques sont mises en œuvre pour atteindre cet objectif.

2.1 Installations à contre-pression

Dans tous les cycles du paragraphe 1...

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