Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La vapeur d'eau sert à transformer l'énergie thermique en énergie mécanique. De nos jours, elle est notamment utilisée dans les centrales de production d'électricité : cycles à resurchauffe et soutirages, cycles combinés à turbine à gaz et turbine à vapeur, incinération des ordures ménagères, chaudière à biomasse. Dans ces applications, la vapeur est détendue dans une turbine, elle est ensuite condensée au contact d'un puits froid puis réchauffée et vaporisée à nouveau. Cette étape de condensation de la vapeur en liquide est réalisée par un condenseur. Cet article s'intéresse plus précisément au cas des aérocondenseurs qui font partie des condenseurs à fluides séparés et dont le puits froid est l'air atmosphérique. Sont ainsi détaillé les principes de fonctionnement, les méthodes de dimensionnement, l'installation et l'exploitation de tels dispositifs.
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Water vapour is used in order to transform thermal energy into mechanical energy. It is currently used notably in electricity production plants: re-superheating cycles and bleeding, combined cycles with gas turbine and vapour turbine, incineration of household waste and biomass boiler. In these applications, the vapour is expanded in a turbine; it is then condensed upon contact with a cold shaft before being reheated and revaporized. This stage of condensation of vapour into liquid is achieved via a condenser. This article mainly focuses on the case of aero condensers which belong to the family of condensers with separate fluids and use the atmospheric air as a cold shaft. The functioning principles, dimensioning methods, installation and operation of such devises are thus detailed.
Auteur(s)
-
Renaud FEIDT : Ingénieur thermique énergétique polytech Nantes - Responsable technique adjoint, Département Produit - Société GEA Batignolles Technologies Thermiques
INTRODUCTION
Cne installation motrice à vapeur (IMV) est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Rankine. Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :
-
l'eau liquide est mise en pression par une pompe et envoyée vers une chaudière ;
-
l'eau est chauffée, vaporisée et surchauffée ;
-
la vapeur se détend et se refroidit dans la turbine en fournissant l'énergie mécanique ;
-
la vapeur détendue est condensée au contact du puits froid le plus souvent sous vide partiel.
Dans ce dossier, nous ne nous intéressons qu'à cette dernière étape et plus précisément à l'appareil servant à la condensation de la vapeur en liquide, appelé condenseur. Il est important de rappeler qu'un condenseur peut effectuer jusqu'à trois opérations successives : désurchauffe de la vapeur, condensation, sous refroidissement liquide. Cela est valable aussi bien pour les condenseurs des machines frigorifiques que pour les condenseurs d'IMV.
Nous pouvons distinguer deux grandes familles de condenseurs :
-
les condenseurs à fluides séparés, sans contact entre la vapeur et le fluide réfrigérant ;
-
les condenseurs à contact direct, avec mélange de la vapeur à condenser et du fluide réfrigérant.
Dans la suite de cet exposé, nous ne traiterons que des aérocondenseurs qui font partie des condenseurs à fluides séparés et dont le puits froid est l'air atmosphérique.
L'aérocondenseur est dimensionné suivant les caractéristiques principales suivantes :
-
le débit de vapeur à condenser ;
-
la pression à l'entrée du condenseur ou à la bride d'échappement de la turbine ;
-
l'enthalpie de la vapeur entrant dans le condenseur ou le titre en vapeur ;
-
la température ambiante de dimensionnement ;
-
l'élévation du site ;
-
les contraintes d'implantation du site.
L'installation d'un aérocondenseur est indissociable d'un ensemble d'équipements auxiliaires fourni généralement par le constructeur tel que le groupe de mise sous vide, le circuit de récupération des condensats, la gaine et le manifold (gaine de grand diamètre située en haut des faisceaux) de distribution de la vapeur dans les faisceaux.
Afin de guider le choix de l'ingénieur parmi les systèmes de refroidissement atmosphérique, on présente pour l'aérocondenseur :
-
le principe de fonctionnement ;
-
l'état de la technique ;
-
les principes de dimensionnement ;
-
des conseils d'installation, de mise en service et d'exploitation.
La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. Son principe de fonctionnement consiste à transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique à partir de vapeur d'eau fournie par une chaudière en énergie mécanique.
Comme première source d'énergie mécanique utilisable et maîtrisable par l'Homme, la machine à vapeur à pistons a eu une importance majeure lors de la Révolution industrielle. Mais au XXe siècle, elle a été supplantée par des installations à vapeur utilisant des turbines.
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Dimensionnement2. État de la technique
2.1 Bancs
Les réfrigérants industriels, tels que les aérocondenseurs, sont des appareils de capacité moyenne (4 MW) ou importante (jusqu'à 180 MW) caractérisés principalement par leur encombrement qui nécessite une mise en place sur site des différents éléments livrés démontés.
Les aéroréfrigérants peuvent être constitués d'une seule unité pour les débits d'air faibles et moyens (400 m3/s) et de plusieurs unités accolées pour les gros débits d'air (jusqu'à 9 000 m3/s).
Le regroupement de plusieurs aérocondenseurs accolés est appelé banc (figure 5). Les cellules aérocondenseur installées les unes à côté des autres sur le banc sont montées en parallèle.
Chaque appareil est référencé par un numéro d'item qui correspond au dimensionnement calculé suivant les caractéristiques de fonctionnement imposées par le client.
HAUT DE PAGE2.2 Cellule aérocondenseur
Une cellule aérocondenseur est constituée essentiellement (figure 6) :
-
des faisceaux échangeurs ;
-
un collecteur d'alimentation en vapeur appelé manifold ;
-
des groupes de ventilation mécanique entraînés par un moteur ;
-
d'une transmission réductrice reliant le moteur au ventilateur ;
-
des pièces de tôlerie composant le bardage ;
-
d'une charpente métallique.
Une cellule aérocondenseur peut comporter jusqu'à douze faisceaux répartis de part et d'autre des ventilateurs. Les faisceaux sont généralement inclinés dans une structure en A qui permet de maximiser l'échange avec l'air et de récupérer les condensats par écoulement gravitationnel.
HAUT DE PAGE2.3 Ventilation
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
(American Petroleum Institute) Air-cooled Heat Exchangers for General Refinery Service, 6e édition - ISO 13706-1:2005 ou API 661 - 02-06
-
Récipients sous pression non soumis à la flamme - E86-200 ou NF EN 13445-1 - 2002
-
The Indian boiler regulations (amendment 69) - IBR 1950 - 1969
-
Unfired pressure vessels code + Suppl. 1 (1984) - AS 1210 - 1982
-
Czechoslovak state standard – Stamonary pressure vessels - CSN 690010 - 1975
-
Specification for unfired fusion welded pressure vessels - PD 5500 - 2000
-
Rules for pressure vessel (Volumes 1, 2, 3) - STOOMWEZEN - 2004
ANNEXES
Directives Européennes (uniquement applicables pour les aéroréfrigérants installés au sein de la communauté européenne)
DM 89/392/CEE – Exigences minimales à appliquer pour la protection des personnes
DESP 97/23/CE – Directive Éléments sous pression – Exigences pour les appareils à pression en fonction du risque qu'ils font courir aux personnes
ATEX 94/9/CE & 99/92/CE – Directives pour les matériels électriques utilisées en atmosphère explosive
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
GEA Batignolles Technologies Thermiques (France) http://www.btt-nantes.com http://www/geagroup.com
Balke Dürr (Allemagne) http://www.balcke-duerr.de
Ecodyne MRM Inc. (États-Unis) http://www.ecodyne.com
Hamon Lummus (Belgique) http://www.hamon.com
Hudson Products (États-Unis) http://www.hudsonproducts.com
SPX – Marley (États-Unis) http://www.spxcooling.com
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