Installations thermiques motrices

Contents

Avant-propos............... vii
Chapitre 1 Caractérisation des performances énergétiques des installations thermodynamiques motrices ................................1
1. Les cycles thermodynamiques moteurs et le rendement énergétique............1
1.1. Le cycle de CARNOT ..............1
1.2. Les cycles isodiabatiques .......3
1.3. Les cycles réversibles quelconques......4
1.4. Les cycles comportant des transformations irréversibles ...5
2. Les installations thermodynamiques motrices et le rendement énergétique total......6
3. L'approche exergétique.......7
3.1. Le facteur de qualité de l'énergie calorifique........8
3.2. La fonction exergie...9
3.3. L'exergie d'un fluide et l'état de référence....12
3.4. La représentation de l'exergie dans le diagramme enthalpie -entropie .14
4. Expressions exergétiques du travail et du rendement ...14
4.1. Le travail d'une machine motrice et son rendement exergétique ............14
4.2. Le travail d'une machine réceptrice et son rendement exergétique ........16
4.3. Le travail produit par un fluide parcourant un cycle moteur.....................17
4.4. Le rendement exergétique d'une installation motrice ..19
5. Comparaison entre les approches énergétique et exergétique ....................20
6. L'irréversibilité de la combustion ..23
6.1. L'exergie d'un combustible..23
6.2. L'exergie des gaz de combustion...28
6.3. Le rendement exergétique de la combustion...30
6.4. L'influence des conditions opératoires sur l'irréversibilité d'une combustion .32
7. L'irréversibilité du transfert d'énergie dans un échangeur de chaleur...........35
Chapitre 2 Les installations motrices à vapeur ...41
1. Description générale d'une installation motrice à vapeur..41
1.1. La source chaude........42
1.2. La machine motrice.......46
1.3. La source froide.....48
2. Fonctionnement de l'installation basée sur le cycle de RANKINE-HIRN..........53
2.1. Etude énergétique.....53
2.2. Etude exergétique .............59
2.3. Application numérique.................63
3. Le cycle à soutirages...........67
3.1. Cycle à un soutirage.......68
3.2. Cycle à plusieurs soutirages ......76
4. Le cycle à resurchauffe ......82
5. Combinaison de la resurchauffe et des soutirages...89
6. Les installations nucléaires à eau sous pression.......96
6.1. Description et fonctionnement.........96
6.2. Application numérique......99
Chapitre 3 Les turbines à gaz..... 105
1. Description générale d'une turbine à gaz.....106
1.1. Structure d'ensemble .107
1.2. Les chambres de combustion ....110
1.3. Les aubages.....111
1.4. L'équipement périphérique.........113
2. Fonctionnement de la turbine à gaz....114
2.1. Le travail moteur et le rendement énergétique du cycle ..114
2.2. Equations constitutives 117
2.3. Etude paramétrique......119
2.4. Les pertes mécaniques et le rendement énergétique total...123
2.5. Le rendement exergétique total ...125
3. Application numérique...126
4. Le refroidissement des aubes de la turbine ...129
4.1. Les systèmes de refroidissement des aubes...129
4.2. La détente des gaz comburés dans une turbine à aubes refroidies ......132
4.3. Application numérique.....135
5. La turbine à gaz avec récupérateur de chaleur....137
6. La turbine à gaz à compression étagée ....142
Chapitre 4 Les installations motrices à cycles combinés... 145
1. Principe et intérêt de la combinaison de deux cycles moteurs 146
2. Les installations motrices à deux vapeurs ......150
3. Les cycles combinés gaz-vapeur .....153
3.1. La combinaison turbine à gaz et installation vapeur à un seul niveau de pression ..154
3.2. La combinaison gaz-vapeur avec postcombustion ..160
3.3. La réhabilitation d'une installation vapeur par adjonction d'une turbine à gaz..163
3.4. La combinaison turbine à gaz et installation vapeur à plusieurs niveaux de pression .....165
3.5. Combinaison gaz-vapeur avec refroidissement des aubages de la turbine à gaz au moyen de vapeur d'eau.....174
4. Les turbines à gaz avec injection d'eau ..175
4.1. Le cycle de base avec injection de vapeur d'eau dans la chambre de combustion .....175
4.2. Combinaison d'une turbine à gaz à injection de vapeur d'eau avec une turbine à vapeur ....179
4.3. La turbine à gaz à air humide......180
5. Les cycles combinés intégrant la gazéification du combustible..................181
Chapitre 5 Les moteurs à combustion interne 185
1. Description générale du moteur à combustion interne ...186
2. Analyse énergétique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne.......189
2.1. Approche thermodynamique simplifiée.....190
2.2. Analyse approfondie du cycle thermodynamique ..194
3. Les pressions moyennes indiquée et effective ..202
3.1. Le rendement indiqué et la pression moyenne indiquée ......202
3.2. Le rendement mécanique et la pression moyenne effective....204
4. La suralimentation des moteurs à combustion interne ...206
5. Le rendement énergétique total et la puissance effective....211
5.1. Le rendement énergétique total ....211
5.2. La puissance effective........213
5.3. Le bilan énergétique.........214
6. Analyse exergétique du fonctionnement d'un moteur à combustion interne..217
6.1. La notion d'inergie ...218
6.2. Le rendement exergétique de la combustion en enceinte fermée.........219
6.3. Le bilan exergétique....221
Chapitre 6 La cogénération ... 227
1. Le concept de cogénération ....227
2. Les différents systèmes de cogénération....229
2.1. Cogénération au moyen d'une turbine à vapeur...230
2.2. Cogénération au moyen d'une turbine à gaz ...231
2.3. Cogénération au moyen d'un moteur à combustion interne .233
3. Les critères de performance des installations de cogénération..234
3.1. Facteurs de conversion et rendement énergétique d'ensemble ..234
3.2. Rendement exergétique d'ensemble ...236
3.3. Economie relative d'énergie primaire....238
4. La cogénération au moyen d'une turbine à vapeur à contrepression ........240
5. La cogénération au moyen d'une turbine à vapeur à prélèvement.............245
6. Les systèmes de cogénération basés sur une turbine à gaz...250
6.1. Turbine à gaz et chaudière de récupération à eau sous pression.........250
6.2. Turbine à gaz et chaudière de récupération alimentant une turbine à vapeur à contrepression.......252
6.3. Turbine à gaz, postcombustion et turbine à vapeur à contrepression.......254
7. La cogénération au moyen d'un moteur à combustion interne ................256
7.1. Production combinée d'électricité et d'eau chaude.......258
7.2. Production combinée d'électricité et de vapeur d'eau....260
8. Considérations sur la détermination du type d'installation de cogénération........261
Postface ............... 265
Liste des symboles ............. 269
Index alphabétique des matières .............. 273
Bibliographie ................ 277
Sources des illustrations .... 279