Turbine à réaction

Dans lesquelles une partie seulement de la chute thermique mise à la position de l’étage, est transformée en énergie cinétique dans le distributeur; le reste est transformé en énergie cinétique dans les aubages mobiles de la roue.
L’évolution des gaz dans la roue se fait avec variation de la pression statique P0>P1>P2. Le taux de réaction ε caractérisera le pourcentage d’énergie thermique totale.

Turbine à cycle simple

C’est une turbine utilisant un seul fluide pour la production d’énergie mécanique. Après la détente, les gaz possédant encore un potentiel énergétique sont perdus dans l’atmosphère à travers l’échappement.

Turbine à cycle régénéré

C’est une turbine dont le cycle thermodynamique fait intervenir plusieurs fluides moteurs dans le but d’augmenter le rendement de l’installation. En effet, toute énergie produite est utilisée à bon escient, que ce soit le surplus d’énergie cinétique pour les accessoires ou la chaleur dégagée à l’échappement pour le chauffage en dehors du système.
De nos jours la turbine à gaz connaît une large utilisation et dans différents domaines et en particulier dans le domaine des hydrocarbures à cause de leur grande gamme de puissance et leurs propres avantages.

Principe de fonctionnement de la turbine à gaz

Une turbine à gaz fonctionne de la façon suivante :
 elle aspire de l’air du milieu environnant;
 elle le comprime à une pression plus élevée;
 elle augmente l’énergie de l’air comprimé en ajoutant et en brûlant le combustible dans une chambre de combustion;
 elle achemine l’air à pression et à température élevée vers la turbine haute pression (HP), qui convertit l’énergie thermique en énergie mécanique pour faire tourner l’arbre ; ceci sert, d’un côté, à fournir l’énergie utile à la machine conduite, couplée avec la machine au moyen d’un accouplement et, de l’autre coté à fournir l’énergie nécessaire pour la compression de l’air, qui a lieu en amont dans le compresseur relié directement à la section turbine par un arbre de transmission;
 elle décharge à l’atmosphère les gaz à basse pression et à température résultant de la transformation mentionnée ci-dessus;

Turbine à vapeur

Définition

La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d’eau. Elle transforme l’énergie thermique de la vapeur d’eau pendant la détente en énergie mécanique de rotation d’arbre pour entrainer un dispositif mécanique tournant.

La nature de fonctionnement thermodynamique

Turbine à condensation 

La vapeur circule suivant un cycle fermé, et l’opération de détente permet de détendre la vapeur jusqu’à des pressions très basses (0.05 bar). Généralement, ce type de turbine est composé de turbines haute pression, moyenne pression et basse pression.

Turbine à contre pression 

La vapeur circule suivant un cycle ouvert. A l’échappement, la pression et la température sont toujours supérieures à ceux de l’atmosphère et sont utilisées pour d’autres fins (séchage, chauffage industrie chimique,…).

Le mode de transmission d’énergie thermique

 Transmission directe :
L’énergie mécanique produite est transmise directement à la génératrice à la même vitesse de rotation figure 12a.
 Transmission indirecte :
L’installation nécessite un réducteur de vitesse, comme c’est le cas de la turbine de bateaux ou les vitesses d’hélices sont plus petites figure 12b.

Généralité sur les cycles

Le cycle classique

Rankine et Hirn

Ingénieur et physicien écossais né à Édimbourg et mort à Glasgow, William J. M. Rankine commençait ses recherches par l’étude de la fatigue des métaux et son application aux essieux des locomotives (1843). S’intéressant ensuite aux propriétés thermodynamiques de la vapeur d’eau, il propose le cycle qui porte son nom et qui décrit les variations d’état de la vapeur dans une machine thermique. Ce cycle est surtout utilisé dans les cas où il y a condensation. C’est Rankine qui a dégagé la notion d’énergie et fait la différence entre énergie potentielle et énergie cinétique. Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique moteur qui comprend deux isobares et deux adiabatiques. C’est le cycle qui se rapproche le plus du cycle de Carnot. Il se distingue de ce dernier par la substitution des deux transformations isothermes par deux transformations isobares qui rendent possible sa réalisation technique.
Les machines thermodynamiques fonctionnent avec plusieurs transformations successives formant un cycle. Il comprend la vaporisation de l’eau dans la chaudière, la détente dans la turbine, la condensation dans un condenseur puis le retour à la chaudière grâce à un système de pompage.
Le cycle de Rankine est la base des machines utilisant la vapeur d’eau dans les centrales thermiques et nucléaires. Il comprend:
• deux isobares basse pression BP et haute pression HP ;
• deux isentropes (Q= 0).
Il comprend le pompage de l’eau en 1-2, son échauffement en 2-3, sa vaporisation en 3-4, sa détente avec condensation partielle dans la turbine 4-5, et sa condensation dans le condenseur en 5-1.

Table des matières

SOMMAIRE
INTRODUCTION 
PARTIE I GENERALITE
I Généralités sur les turbines
I.1. Turbine à gaz
I.1.1. Définition
I.1.2. Les éléments d’une turbine à gaz
I.1.3. Classification des turbines à gaz
I.1.3.1. Par le mode de construction
I.1.3.2. Par le mode de travail
I.1.3.3. Par le mode de fonctionnement thermodynamique
I.1.4. Principe de fonctionnement de la turbine à gaz
I.1.5. Domaines d’application des turbines à gaz
I.1.6. Avantages et inconvénients des turbines à gaz
I.2. Turbine à vapeur
I.2.1. Définition
I.2.2. Classification des turbines à vapeur
I.2.2.1. La méthode de fonctionnement de la turbine à vapeur
I.2.2.2. Le sens d’écoulement de la vapeur
I.2.2.3. La nature de fonctionnement thermodynamique
I.2.2.4. Le mode de transmission d’énergie thermique
I.2.2.5. Le mode de construction
I.2.3. Principe d’une turbine à vapeur
II Généralité sur les cycles
II.1. Le cycle classique
II.1.1. Rankine et Hirn
II.1.2. Rankine-Hirn
II.1.3. Particularité du fluide organique
II.2. Cycle supercritique
II.2.1. Appellation
II.2.2. Le cycle supercritique théorique
II.3. Cycle ORC
II.3.1. Définition
II.3.2. Comparaison entre cycle ORC et cycles à vapeur classique
III Choix du fluide caloporteur
III.1. Importance du choix
III.2. Exemple d’une étude d’analyse de fluide organique pour un cycle ORC
PARTIE II ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I Paramètres de la turbine à vapeur
I.1. Introduction
I.2. Etude théorique
I.2.1. Cycle thermodynamique d’une turbine à vapeur suivant le cycle de Rankine et de Hirn
I.2.2. Cycle thermodynamique d’une turbine à vapeur suivant le cycle à soutirage
I.3. Evolution des températures dans une chaudière
I.3.1. Chaudière de récupération
I.3.2. Echange thermique dans la chaudière par pincement et par l’approche
I.3.3. Système à vapeur du cycle de refroidissement ACC
I.4. Calcul des paramètres de la turbine à vapeur
I.4.1. Calcul de l’enthalpie massique dans les points les plus importants
II Hydrogène
II.1. Propriétés de l’hydrogène
II.1.1. Propriété physique
II.1.2. Propriété chimique
II.1.3. Propriété énergétique
II.2. Obtention de l’hydrogène
II.3. Générateur HHO
II.3.1. Paramètre de l’électrolyse
II.3.2. Aspect cinétique de l’électrolyse de l’eau
II.3.3. Type de générateur de gaz HHO
II.3.4. Valeur énergétique du gaz HHO
PARTIE III ETUDE SUR LA CONCEPTION ET RESULTATS 
I Etude du prototype du générateur HHO
I.1. Divers calculs
I.2. Organes nécessaires pour l’utilisation du générateur
II Etude de la chaudière
II.1. Historique .
II.2. Rappel sur le fonctionnement d’un générateur de vapeur
II.3. Classification et caractérisation des différents types de chaudières
II.3.1. Chaudières à tube d’eau
II.3.2. Chaudières à tube de fumée
II.4. Notions de base des mécanismes de transfert de chaleur dans les générateurs de vapeur
II.4.1. Rayonnement dans un générateur de vapeur
II.4.1.1. Calcul de la température adiabatique de la flamme
II.4.1.2. Calcul du flux échangé par rayonnement
II.4.2. Convection dans un générateur de vapeur
II.4.2.1. Calcul du coefficient d’échange par convection
II.4.3. Conduction dans les générateurs de vapeur
II.4.4. Bilan global dans un générateur de vapeur
II.5. Bilan approfondi d’une chaudière
II.5.1. Rôle et limites d’une chaudière
II.5.2. Connaissances nécessaires pour aborder le calcul d’une chaudière
II.5.3. Définition d’un calcul de chaudière
II.6. Données de départ d’un calcul de chaudière et ses effets sur la conception
II.6.1. Conditions de fonctionnement
II.6.2. Caractéristiques de l’eau et de la vapeur
II.6.3. Caractéristiques du combustible
II.6.4. Performances attendues et conditions générales d’utilisation
II.6.5. Conception générale
II.7. Bilans énergétiques et bilan matière
II.7.1. Bilans énergétiques
II.7.1.1. Puissance utile (produite)
II.7.1.1.1. Puissance (ou chaleur) utile principale
II.7.1.1.2. Puissance utile annexe
II.7.1.2. Puissances introduites
II.7.1.2.1. Enthalpie de formation du combustible
II.7.1.2.2. Enthalpie sensible du combustible
II.7.1.2.3. Puissance introduite par l’air dans la chaudière sous forme d’enthalpie sensible
II.7.1.2.4. Puissances auxiliaires introduites sous forme mécanique
II.7.1.3. Pertes
II.7.1.3.1. Perte par enthalpie sensible des fumées
II.7.1.3.2. Pertes par imbrûlés
II.7.1.3.3. Pertes par les parois : rayonnement et convection externe
II.7.1.4. Débit de combustible à brûler à une allure donnée
II.7.2. Bilan matière
II.7.2.1. Débit de combustible
II.7.2.2. Débits d’air et de fumées
II.7.2.2.1. Répartition du débit d’air
II.7.2.2.2. Répartition du débit de fumées
II.8. Echangeurs
II.8.1. Rôle des échangeurs
II.8.2. Architecture générale de la chaudière et ordre de parcours des fumées
II.8.2.1. Répartition et variation des échanges suivant l’allure
II.8.2.2. Moyens d’action sur les échanges
II.8.2.3. Contraintes technologiques et économiques
II.8.3. Choix de la position et de l’ordre des échangeurs
II.8.4. Bilan global des échanges
II.8.5. Calcul sur les échangeurs
II.8.5.1. Objet du calcul
II.8.5.2. Méthode de calcul
II.8.6. Conception des échangeurs au niveau des éléments de construction
II.8.6.1. Pour tous les combustibles
II.8.6.2. Pour le cas particulier des combustibles solides
Ce sont : la quantité de cendres et la température de fusibilité qui interviennent sur
II.8.7. Calcul de la température du tube et sélection du métal
II.8.7.1. Effet de la température du fluide chauffé
II.8.7.2. Écart de température entre fluide et métal
II.8.7.3. Exemple de profil de température métal à mi-épaisseur
II.8.7.4. Contraintes
II.8.8. Protections contre la corrosion
II.9. Circuits air/fumées
II.9.1. Nature des circuits
II.9.2. Réchauffeurs d’air
II.9.2.1. Échangeurs à surface
II.9.2.2. Échangeurs du type régénératif
II.9.3. Pertes de charge par rapport aux vitesses d’air et de fumées et marges sur débit et pressions
II.9.4. Ventilateurs
II.10. Détermination du foyer
II.10.1. Rôle du foyer
II.10.2. Conception générale
II.10.2.1. Dimensions du foyer
II.10.2.2. Construction des parois
II.10.3. Objet des calculs
II.10.4. Calculs
II.10.4.1. Détermination de la chaleur introduite
II.10.4.2. Bilan de répartition à l’intérieur du foyer
II.10.4.3. Bilan d’échange
II.10.4.4. Transfert thermique
II.10.4.4.1. État des produits de la combustion
II.10.4.4.2. Émissivité
II.10.4.4.3. Absorption des parois
II.10.5. Échanges dans le foyer : flux thermiques sur les parois
II.11. Circulation du fluide chauffé
II.11.1. Rôle de la circulation
II.11.1.1. Formation de la vapeur
II.11.1.2. Transmission de chaleur : température de paroi
II.11.1.3. Effets sur la conception et la construction
II.11.2. Modes de circulation
II.11.2.1. Circulation naturelle
II.11.2.1.1. Principe de fonctionnement
II.11.2.1.2. Caractères propres de la circulation naturelle
II.11.2.2. Circulation assistée par pompe
II.11.2.2.1. Principe de fonctionnement
II.11.2.2.2. Pompes de circulation
II.11.2.2.3. Extension de la circulation assistée par pompe : tubes rainurés
II.11.2.3. Circulation forcée
II.11.2.3.1. Principe de fonctionnement
II.11.2.3.2. Domaine d’application
II.11.2.4. Chaudières supercritiques
II.11.2.5. Comparaison des différents modes de circulation
III Méthode et réalisation
III.1. Générateur de gaz HHO
III.1.1. Préparation
III.1.2. Méthode
III.2. Chaudière
III.2.1. Thermoptim
III.2.2. Modélisation sur Thermoptim
IV Résultats expérimentaux
IV.1. Générateur HHO
IV.2. Modélisation sur Thermoptim
V Interprétation
PARTIE IV IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX 
CONCLUSION 
ANNEXES
Bibliographie