Installations thermiques motrices analyse énergétique et exergétique
J. Martin/P. Wauters
UCL Presses Universitaires de Louvain
Avant-propos
vii
Chapitre 1. Caractérisation des performances énergétiques des
installations thermodynamiques motrices
1
1. Les cycles thermodynamiques moteurs et le rendement énergétique1
1.1. Le cycle de Carnot1
1.2. Les cycles isodiabatiques3
1.3. Les cycles réversibles quelconques4
1.4. Les cycles comportant des transformations irréversibles5
2. Les installations thermodynamiques motrices et le rendement
énergétique total6
3. L'approche exergétique7
3.1. La notion d'exergie8
3.2. Définition de l'exergie9
3.3. Expression de l'exergie10
3.4. Représentation de l'exergie dans les diagrammes thermodynamiques12
4. L'expression exergétique du travail moteur14
4.1. Travail moteur d'une machine motrice à partir de la variation d'exergie14
4.2. Travail moteur d'une machine réceptrice à partir de la variation
d'exergie16
4.3. Application aux cycles moteurs17
5. L'analyse exergétique du fonctionnement des installations motrices18
5.1. Intérêt de l'analyse exergétique18
5.2. Comparaison entre les approches énergétique et exergétique19
6. L'exergie d'un fluide23
7. L'exergie d'un combustible25
8. L'irréversibilité de la combustion29
8.1. Le rendement exergétique de la combustion29
8.2. L'exergie des fumées30
8.3. Calcul du rendement exergétique de la combustion33
8.4. Influence des conditions opératoires sur l'irréversibilité d'une
combustion34
9. L'irréversibilité du transfert d'énergie dans un échangeur de chaleur36
Chapitre 2. Les installations motrices à vapeur
43
1. Description générale de l'installation motrice à vapeur43
1.1. La source chaude44
1.2. La machine motrice48
1.3. La source froide50
2. Fonctionnement de l'installation basée sur le cycle de Rankine-Hirn55
2.1. Etude énergétique55
2.2. Etude exergétique61
2.3. Application numérique65
3. Le cycle à soutirages69
3.1. Le cycle à un soutirage70
3.2. Le cycle à plusieurs soutirages78
4. Le cycle à resurchauffe84
5. Combinaison de la resurchauffe et des soutirages92
6. Les installations nucléaires à eau sous pression98
Chapitre 3. Les turbines à gaz
107
1. Description générale d'une turbine à gaz108
1.1. Structure d'ensemble de la machine109
1.2. Les chambres de combustion112
1.3. Les aubages112
1.4. L'équipement périphérique114
2. Analyse énergétique du fonctionnement de la turbine à gaz115
2.1. Le travail moteur et le rendement énergétique du cycle115
2.2. Equations constitutives119
2.3. Etude paramétrique121
2.4. Les pertes mécaniques et le rendement énergétique total125
3. Analyse exergétique du fonctionnement de la turbine à gaz128
4. Influence du refroidissement des aubes de la turbine130
4.1. Les systèmes de refroidissement des aubes130
4.2. La détente dans une turbine à aubes refroidies134
4.3. Application numérique136
5. La turbine à gaz avec récupérateur de chaleur139
6. Les turbines à gaz à cycle complexe144
Chapitre 4. Les installations à cycles combinés
147
1. Principe et intérêt de la combinaison de deux cycles moteurs148
2. Les installations motrices à deux vapeurs152
3. Les cycles combinés gaz-vapeur155
3.1. La combinaison turbine à gaz et installation vapeur à un niveau de
pression156
3.2. Les cycles combinés gaz-vapeur avec postcombustion162
3.3. La réhabilitation d'une installation vapeur par adjonction d'une
turbine à gaz165
3.4. Les cycles combinés à plusieurs niveaux de pression de vapeur168
4. Les cycles combinés avec refroidissement des aubages de la turbine à
gaz au moyen de vapeur d'eau176
5. Les turbines à gaz avec injection d'eau177
5.1. Le cycle de base avec injection de vapeur d'eau dans la chambre de
combustion177
5.2. Combinaison de la turbine à gaz à injection de vapeur d'eau et de la
turbine à vapeur181
5.3. La turbine à gaz à air humide182
6. Les cycles combinés intégrant la gazéification du combustible183
Chapitre 5. Les moteurs à combustion interne
189
1. Description générale du moteur à combustion interne190
2. Etude thermodynamique du fonctionnement du moteur à combustion
interne193
2.1. Approche thermodynamique simplifiée194
2.2. Analyse détaillée du cycle198
3. Les pressions moyennes indiquée et effective204
3.1. Le rendement indiqué et la pression moyenne indiquée204
3.2. Le rendement mécanique et la pression moyenne effective206
3.3. La suralimentation des moteurs à combustion interne208
4. Le rendement énergétique total et la puissance effective214
4.1. Le rendement énergétique total214
4.2. La puissance effective215
4.3. Le bilan énergétique216
5. Analyse exergétique et rendement exergétique total219
5.1. La notion d'inergie220
5.2. La combustion en enceinte fermée et son rendement exergétique221
5.3. Bilan exergétique global224
Chapitre 6. La cogénération
229
1. Le concept de cogénération229
2. Les différents systèmes de cogénération231
2.1. Cogénération à partir d'une turbine à vapeur232
2.2. Cogénération à partir d'une turbine à gaz233
2.3. Cogénération à partir d'un moteur à combustion interne235
3. Les critères de performance des installations de cogénération236
3.1. Facteurs de conversion et rendement énergétique d'ensemble236
3.2. Rendement exergétique d'ensemble238
3.3. Economie relative d'énergie primaire240
4. La cogénération avec une turbine à vapeur à contrepression242
5. La cogénération au moyen d'une turbine à vapeur à prélèvement247
6. Les systèmes de cogénération basés sur une turbine à gaz252
6.1. Turbine à gaz et chaudière de récupération à eau sous pression252
6.2. Turbine à gaz et chaudière de récupération alimentant une turbine à
vapeur à contrepression254
6.3. Turbine à gaz, postcombustion et turbine à vapeur à contrepression256
7. Les systèmes de cogénération basés sur un moteur à combustion
interne258
7.1. Production combinée d'électricité et d'eau chaude259
7.2. Production combinée d'électricité et de vapeur d'eau261
8. Considérations sur la détermination du type d'installation de
cogénération262
Postface
265
Liste des symboles
269
Index
273
Bibliographie
277
Sources des illustrations
279