Le cycle de Rankine ou cycle de vapeur de Rankine est le processus largement utilisé par les centrales électriques telles que les centrales à charbon ou les réacteurs nucléaires. Dans ce mécanisme, un combustible est utilisé pour produire de la chaleur à l'intérieur d'une chaudière, transformant l'eau en vapeur qui se détend ensuite à travers une turbine produisant un travail utile. Ce procédé a été mis au point en 1859 par l'ingénieur écossais William J.M. Rankine.[1] Il s'agit d'un cycle thermodynamique qui convertit la chaleur en énergie mécanique - qui est généralement transformée en électricité par production d'électricité.

Figure 1. Un schéma simple avec les composants du cycle de Rankine.[2]
Figure 2. La ligne rouge est le diagramme pression-volume du cycle de Rankine. Elle illustre les changements de pression et de volume que subit le fluide de travail (l'eau) pour produire du travail. [3]

Les étapes du cycle de Rankine, telles qu'elles sont présentées dans la figure 1, et les étapes correspondantes dans le diagramme pression-volume (figure 2) sont décrites ci-dessous : [1]

  • Pompe: Compression du fluide à haute pression à l'aide d'une pompe (ce qui demande du travail) (Figure 2 : Etapes 3 à 4)
  • Chaudière : Le fluide comprimé est chauffé à la température finale (qui est le point d'ébullition), par conséquent, un changement de phase se produit - du liquide à la vapeur. (Figure 2 : Étapes 4 à 1)
  • Turbine :Expansion de la vapeur dans la turbine. (Figure 2 : Étapes 1 à 2)
  • Condenseur : Condensation de la vapeur dans le condenseur (où la chaleur perdue va vers le puits de chaleur final (l'atmosphère ou un grand plan d'eau (ex. lac ou rivière)). (Figure 2 : Étapes 2 à 3)

Le rendement du cycle de Rankine est limité par la chaleur de vaporisation élevée du fluide. Le fluide doit être recyclé et réutilisé en permanence, c'est pourquoi l'eau est le fluide le plus pratique pour ce cycle. Ceci n'est pas la raison pour laquelle de nombreuses centrales électriques sont situées près d'un plan d'eau - c'est pour la chaleur résiduelle.

Lorsque l'eau se condense dans le condenseur, la chaleur résiduelle est libérée sous forme de vapeur d'eau, que l'on peut voir s'échapper des tours de refroidissement d'une centrale. Cette chaleur perdue est nécessaire dans tout cycle thermodynamique. Grâce à cette étape de condensation, la pression à la sortie de la turbine est abaissée. Cela signifie que la pompe nécessite moins de travail pour comprimer l'eau, ce qui augmente le rendement total.

Figure 3. Le cycle de Rankine dans une centrale nucléaire.[4]

En savoir plus


Références

  1. 1,0 et 1,1 L. Albright, L. Angenent, F. Vanek. (May 6, 2015). "Stationary Combustion Systems" in Energy Systems Engineering, 2nd Edition. McGraw Hill. 2012. ch.6, pp.161-167
  2. Made internally be a member of the Energy Education team, adapted from Energy Systems Engineering by F. Vanek, L. Albright and L. Angenent
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CR-Prozess_p-v-Diagramm.svg
  4. USNRC. (June 1, 2015). The Boiling Water Reactor [Online]. Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html