Bibliographie & annexes
Présentation
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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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Principe de fonctionnement
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5. Conclusion
5.1 Performances et optimisation
Depuis l'Antiquité, la vapeur s'est développée comme une source d'énergie mécanique utilisable et maîtrisable par l'Homme. Après l'avènement de la machine à vapeur au début du XX e siècle, c'est aujourd'hui la turbine à vapeur qui a connu un essor considérable et qui est utilisée dans les centrales de production d'électricité. Il y a eu aussi le développement des machines frigorifiques ainsi que de nombreux procédés chimiques qui utilisent de la vapeur de divers fluides.
Dans ce contexte, les aérocondenseurs ont permis d'apporter des solutions techniques fiables pour assurer le refroidissement et la condensation de la vapeur.
En effet, les aérocondenseurs proposent une alternative intéressante aux échangeurs classiques car ils utilisent, comme puits froid, l'air ambiant disponible en tout lieu et en grande quantité. Ils ne nécessitent pas de circuit de traitement de l'air contrairement à l'eau. Ils sont plus simples de mise en œuvre et d'exploitation.
Toutefois, l'utilisation de l'air entraîne un coefficient d'échange global moins bon qu'avec de l'eau avec pour conséquence d'augmenter la surface d'échange à puissance équivalente en défaveur de l'aérocondenseur. L'aérocondenseur est donc pénalisé par son encombrement par rapport à l'échangeur à eau. Ce point a toutefois été pris en compte dans l'implantation des centrales où les aérocondenseurs sont généralement installés en hauteur sur des racks sans perte de place au sol.
Il est important de noter qu'un aérocondenseur est fortement tributaire des changements climatiques qui affectent directement ses performances. Il convient par exemple de prévoir des dispositifs pour éviter le risque de gel tel que les réchauffeurs ou l'utilisation de la recirculation d'air chaud.
Le choix d'un aérocondenseur doit donc être dicté en fonction des besoins du client par les points suivants :
-
performances à garantir compatibles avec l'utilisation de l'air ambiant en fonction des conditions du site ;
-
impact des conditions climatiques existantes (historique sur plusieurs années à prendre en compte) ;
-
encombrement maximal acceptable sur le site ;
-
calcul du rapport entre coût d'achat et coût d'exploitation.
Le dernier point est très important car la conception de l'aérocondenseur repose sur un compromis entre l'optimisation de la surface d'échange...
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Conclusion
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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