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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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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 XX e siècle, elle a été supplantée par des installations à vapeur utilisant des turbines.
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1. Principe de fonctionnement
1.1 Définition de la réfrigération par condensation
La réfrigération atmosphérique par condensation est un procédé utilisé pour évacuer à partir d'un puits froid la chaleur contenue dans un fluide chaud permettant ainsi de faire passer ce fluide de l'état vapeur à l'état liquide. Le puits froid utilisé dans la réfrigération atmosphérique est l'air ambiant.
La réfrigération par condensation peut se faire en contact direct, le puits froid échange alors directement avec le fluide à refroidir par mélange. Il existe aussi la réfrigération par condensation avec fluides séparés lorsque le fluide à refroidir ne peut être mis en contact avec le fluide de refroidissement à cause de sa pression, sa nature, sa toxicité ou son impact sur l'environnement par exemple.
Il est important de noter que les appareils de réfrigération atmosphérique fonctionnent en général en circuit ouvert compte tenu du fait que l'air chaud est rejeté après échange directement dans l'atmosphère et n'est pas recyclé.
1.2 Description de l'aérocondenseur
L'aérocondenseur (figures 1 et 2) se distingue des autres appareils de refroidissement par le fait que le fluide à refroidir subit un changement d'état : passage de l'état vapeur à l'état liquide.
Dans l'échangeur, le fluide à refroidir est mis en circulation par une pompe et traverse un ensemble de tubes dont la paroi extérieure est soumise à une circulation d'air naturelle ou forcée. Le fluide à refroidir est de la vapeur sous vide.
L'échange de chaleur est basé sur les lois de la convection (cf. dossiers [BE 8 205] ...
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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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