université de tlemcen faculté de technologie département
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Laboratoire d’Energétique et Thermique
APpliquée ETAP
1
Université de Tlemcen
Faculté de Technologie
Département de Génie Mécanique
Présenté par
Pr. KORTI A. N.
Matière cogénération
M1-Energétique
Chapitre 02 (partie 2)
La cogénérationhttps://etap2.univ-tlemcen.dz/fr/pages/79/cogeneration
Introduction Dans tous les cycles discutés jusqu'ici, l'objectif unique était
de convertir une partie de la chaleur transférée au fluide defonctionnement au travail, qui est la forme d'énergie la plusvalable.
La partie restante de la chaleur est rejetée aux fleuves, auxlacs, aux océans, ou à l'atmosphère en tant que chaleurperdue.
La perte d'une grande quantité de chaleur est un prix quenous devons payer pour produire le travail, parce que letravail électrique ou mécanique est la seule forme d'énergiesur laquelle beaucoup des dispositifs de technologie (telsqu'un ventilateur) peuvent fonctionner.
Introduction
Beaucoup de systèmes ou de dispositifs, cependant, exigent
l'absorption d'énergie sous forme de chaleur, appelée Chaleur
de processus. Quelques industries se basent fortement sur la
chaleur de processus (chimiques, pulpe et papier, production et
raffinage de pétrole, sidérurgie, traitement des denrées
alimentaires des produits alimentaires, et industries textiles).
La chaleur de processus dans ces industries est habituellement
fournie par la vapeur de 5 à 7 atm et de 150 à 200°C. De
l'énergie est habituellement transférée à la vapeur en brûlant
du charbon, pétrole, gaz naturel, ou différent carburant dans
un four.
Usine de processus-chauffage Toute la chaleur transférée à la
vapeur dans la chaudière estemployée dans les unités de processus-chauffage.
La température dans les fours est engénéral très haute (environ 1400°C),l'énergie est très importante.
Cette énergie est transférée à l'eaupour produire la vapeur à environ200°C.
Utilisation d’une forte énergie pourproduire, une, à faible énergie (unprocessus fortement irréversible).
Cogénération Les industries qui consomment de grandes quantités de
chaleur consomment également de grandes puissancesélectriques.
Par conséquent, il serait économique d'employer le potentielde travail déjà-existant pour produire la puissance au lieu dela gaspiller. Le résultat est une usine qui produit l'électricitéet de la chaleur.
Une telle usine s'appelle une usine de cogénération.
la cogénération est la production de plus d'une formed'énergie utile (telle que la chaleur de processus et le courantélectrique) à partir d’une source d'énergie.
Centrale idéale de cogénération
Disons que cette usine assure une chaleur
de processus Qp de 100 kW à 500 kPa.
Pour satisfaire cette demande, la vapeur est
détendue dans la turbine à une pression de
500kPa, pour produire une puissance de 20
kW.
Le travail de la pompe est très faible. En
négligeant toutes les pertes de chaleur, la
chaleur fournit dans la chaudière serait de
120 kW.
Le dispositif le plus saisissant de l'usine
idéale de cogénération est l'absence d'un
condensateur.
Centrale idéale de cogénération
Aucune chaleur n’est rejetée de cette usine.
Toute l'énergie fournit à la vapeur dans la
chaudière est utilisée comme chaleur de
processus ou comme puissance électrique .
Ainsi il est intéressant de définir un facteur
d'utilisation pour une installation decogénération comme :
out out
in
W Q
Q
Centrale idéale de cogénération
Le facteur d'utilisation peut également s’exprimé comme :
Qout représente la chaleur rejetée par le condensateur.
Ainsi, le facteur d'utilisation de la centrale idéale de cogénération type TAV est
évidemment 100 %.
Qout inclut toutes les pertes de chaleur indésirables de la tuyauterie et les autres
composants, qui sont habituellement assez faibles et donc négligées. Elle inclut
également les inefficacités de la combustion.
Les centrales réelles de cogénération possèdent des facteurs d'utilisation
dépassant les 80 %.
1 out
in
Q
Q
Exercice 3.1 La vapeur entre dans la turbine d'une
usine de cogénération à 7 MPa et 500°C.Le quart de la vapeur est extraite à partirde la turbine à la pression 600 kPadestinée au réchauffeur. La vapeurrestante continue la détente au 10 kPa.La vapeur extraite est alors condensée etmélangée à l'eau d'alimentation à lapression constante. Le mélange est alorspompé à la pression de chaudière de 7MPa. Le débit massique de la vapeur àtravers la chaudière est 30 kg/s.
En négligeant toutes chutes de pressionet les pertes thermique dans latuyauterie, et en supposant la turbine etla pompe comme isentropiques,déterminer la puissance nette produite etle facteur d'utilisation de l'usine.
Exercice 3.2 La vapeur est générée dans la chaudière d'une usine de
cogénération à 10 MPa et à 450°C avec un débit régulier de 5kg/s. Dans les conditions normales, la vapeur se détend dans uneturbine à la pression de 0,5 MPa et puis conduite au processus dechauffage. La vapeur quitte le processus de chauffage commeliquide saturé et comprimée jusqu’à la pression de chaudière.Dans ce mode, aucune vapeur ne traverse le condensateur, quifonctionne à 20 kPa. Déterminer :
la puissance produite et la chaleur évacuée du processus dechauffage dans ce mode.
la puissance produite et la chaleur évacuée du processus dechauffage si seulement 60 % de la vapeur est conduite auprocessus de chauffage et le reste est détendu à la pression decondensateur.
La centrale idéale de cogénération n'est pas
très pratique. Elle est incapable de
s’adapter aux variations des charges de la
puissance électrique et de la chaleur de
processus.
Durant la période à forte demande de la
chaleur de processus, toute la vapeur est
dirigé à l’unité de la chaleur de processus et
rien au condensateur. Les pertes de chaleur
sont nulles dans ce mode.
Quand il n'y a aucune demande en chaleur,
toute la vapeur traverse la turbine et le
condensateur. La centrale de cogénération
fonctionne comme centrale à vapeur
ordinaire.
Centrale de cogénération à charges
variables
Un étrangleur ou une valve
pour réduction de le pression
Centrale de cogénération à charges
variables
Exercice 3.3 Considérer une usine de cogénération à charges variables. La vapeur entre dans la
turbine à 7 MPa et 500°C. De la vapeur est extraite à partir de la turbine à 500 kPa pour le chauffage de processus. La vapeur restante continue la détente à 5 kPa . La vapeur est alors condensée à la pression constante et pompée à la pression de la chaudière de 7 MPa. Durant la période à forte demande de chaleur, la vapeur quittant la chaudière est étranglée à 500 kPa et conduite au chauffage de processus. Les fractions d'extraction sont ajustées de sorte que la vapeur quitte le chauffage de processus comme liquide saturé à 500 kPa. Elle est ensuite pompée à 7 MPa. Le débit massique de la vapeur traversant la chaudière est 15 kg/s. En négligeant les chutes de pression de pression et les pertes de chaleur dans la tuyauterie et en supposant la turbine et la pompe comme isentropique, déterminent
la chaleur de processus à assurer,
la puissance produite et le facteur d'utilisation quand aucune chaleur de processusn'est assurée, et
la chaleur de processus quand 10 % de la vapeur sont extraits avant d’entrée dans la turbine et 70 % de la vapeur est extrait à partir de la turbine à 500 kPa pour le chauffage de processus.
Cycle combiné Gaz-Vapeur
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On peut aussi combiner turbine à vapeur et turbine à gaz.
La turbine à gaz peut produire de la vapeur à travers une chaudière de
récupération.
Cette vapeur peut entraîner une turbine à vapeur
Turbine à gaz
Admission
air/filtre
Compresseur
Combustion
Carburant
Condenseur
Turbine
à vapeur
Générateur Générateur
CHP à multi-arbres
Cycle combiné à multi-arbres
Un alternateur placé sur l'axe de la turbine à vapeur peut produire un
complément d'électricité.
La demande en chaleur peut être assurée par la vapeur à la sortie de la turbine.
De pareilles configurations permettent un haut rendement électrique, se
traduisant par un rendement thermique plus faible.
Turbine à gaz
Admission
air/filtre
Compresseur
Combustion
Carburant
Condenseur
Turbine
à vapeur
Générateur Générateur
Echappement gaz < 100oC
Turbine à gas
Admission
air/Filtre
Compresseur
Combustion
Carburant
Générateur
Turbine
à vapeur
Condenseur
Cycle combiné à un seul arbre
Cycle combiné à un seul arbre
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Les premiers CHP avaient plusieurs arbres
Certains possédaient deux ou plusieurs turbines à gaz fournissant de la chaleur
aux chaudières de récupération équipées d’une seule turbine à vapeur
Les CHP modernes tends à avoir un arbre commun avec une turbine à gaz et
turbine à vapeur tournant un seul générateur.
Avantages des machines à arbre unique:
Un coût de capital plus faible
Des rendements globales supérieurs à 55/56%
Inconvénients :
La non possibilité de tourner la turbine à gaz par elle-même
Les turbines à gaz peuvent atteindre la pleine production en quelques minutes.
Les turbines à vapeur prennent 6 à 8 heures ou plus
Turbines à gaz ont tendance à avoir des émissions de NOx plus élevés et des
dispositions spéciales sont nécessaires pour réduire ces niveaux - par exemple
injecter de la vapeur dans la turbine à gaz.