Exploration d’un cycle binaire eau-ammoniac

Cycle binaire eau-ammoniac

Introduction

L'un des inconvénients que présente l'utilisation de la vapeur d'eau comme fluide thermodynamique est la très grande valeur de son volume massique à basse température, qui a pour conséquence :

  • d'une part que les étages basse pression des grandes centrales ont des sections d'échappement gigantesques et des ailettes qui travaillent à la limite de la résistance mécanique du matériau
  • d'autre part que des pertes dites par vitesse restante apparaissent lorsque la température de condensation devient très basse.

Pour pallier ces inconvénients, on envisage d'utiliser des cycles binaires eau / ammoniac dans lesquels on remplace la vapeur d'eau dans la partie terminale de sa détente à basse pression (à partir du moment où son volume massique devient très élevé) par de l'ammoniac qui, dans les mêmes conditions de température, serait environ 120 fois plus dense. Un modèle Thermoptim simplifié d'un tel cycle est donné dans cette figure.

schemaCybiamN4

Sur la gauche, on retrouve le cycle simplifié d'un réacteur REP qui doit maintenant vous être familier.

Sur la droite, un cycle ORC à ammoniac très simple est représenté.

La liaison entre les deux cycles se fait grâce au condenseur-bouilleur situé dans la partie centrale du schéma.

Dans ce cycle, l'ammoniac joue un double rôle :

  • il transporte la chaleur entre la sortie de la turbine BP à vapeur d'eau et la source froide que constitue l'air ambiant.
  • il sert de fluide de travail en se détendant dans une deuxième turbine qui remplace les étages basse pression de la turbine à vapeur d'eau.

La vapeur d'eau est condensée dans le condenseur/bouilleur constitué de faisceaux de tubes sur lesquels se produit la condensation de la vapeur d'eau, l'écart de température entre les deux fluides étant faible. La vapeur d'ammoniac est ensuite détendue pour produire du travail dans une turbine à ammoniac entraînant un alternateur.

Après détente, cette vapeur se condense au contact de la source froide. Le transfert de chaleur entre la vapeur de l'ammoniac condensant et l'air se fait dans un aérocondenseur constitué par des tubes ailetés. Après condensation, l'ammoniac est renvoyé par pompage vers le séparateur, le cycle de queue est ainsi bouclé.

DL'objectif de l'exploration dirigée est de vous faire découvrir ce cycle et d'étudier l'influence de certains paramètres sur ses performances.