Il existe deux types de turbine à gaz à cycle ouvert et à cycle fermé. Le cycle thermodynamique utilisé dans une turbine à gaz est le Cycle de Brayton
L'air est utilisé comme fluide de travail dans le cycle de Brayton. Le compresseur pressurise l'air puis le laisse s'enflammer en pulvérisant du carburant dessus. Le gaz à haute température généré est ensuite détendu dans la turbine à gaz jusqu'à la sortie de travail nette.
Le cycle de Brayton se compose de quatre processus significatifs donnés dans le tableau ci-dessous,
| Processus 1-2 | Compression isentropique (dans le compresseur) |
| Processus 2-3 | Ajout de chaleur à pression constante (dans la chambre de combustion) |
| Processus 3-4 | Détente isentropique (En turbine) |
| Processus 4-1 | Rejet de chaleur à pression constante (échappement) |
Dans le cycle des turbines à gaz, le cycle largement utilisé est une turbine à gaz à cycle fermé. Il existe peu de méthodes employées pour augmenter les performances du cycle. La centrale électrique à turbine à gaz peut fournir une puissance de sortie rapide par rapport aux centrales thermiques à base de charbon.
Composants du cycle de turbine à gaz
Le cycle d'une turbine à gaz comprend quatre composants principaux. Les composants supplémentaires sont utilisés pour augmenter les performances
- 1. Compresseur
- 2. Chambre de combustion ou chambre de combustion
- 3. Turbines
- 4. Condenseur
- 5. Régénérateur échangeur de chaleur
- 6. Refroidisseur intermédiaire
- 7. Réchauffeur
La fonction de chaque composant est prédéfinie dans le cycle de la turbine à gaz. Dans une turbine à gaz à cycle ouvert, l'air atmosphérique est comprimé par un compresseur. La température de l'air est suffisamment élevée pour enflammer le carburant dans la chambre de combustion. Après combustion, le gaz à haute température est fourni à la turbine. L'aube de turbine tourne en raison de l'expansion de ce gaz. L'arbre de la turbine tourne avec une sortie constante.
La turbine à gaz à cycle fermé fonctionne sur le principe du cycle de Brayton (cycle de Joule). Dans un cycle de turbine à gaz, le type de compresseur utilisé est rotatif pour pressuriser l'air de manière isentropique. Cet air à plus haute pression est fourni à la chambre de combustion. Dans la chambre de combustion, la température de l'air est élevée à pression constante. Il existe deux types de chambres de combustion disponibles pour les turbines à gaz.
1) Type radial ou annulaire 2) Type can
L'air chauffé de la chambre de combustion est laissé se détendre dans la turbine pour la production d'électricité. Le générateur électrique est utilisé avec une turbine pour transférer l'énergie mécanique dans l'énergie électrique.
Le processus d'expansion est effectué à entropie constante (isentropique). Après détente, le gaz se refroidit dans le condenseur. Le condenseur est un type d'échangeur de chaleur avec de l'eau comme liquide de refroidissement.
Le gaz refroidi atteint à nouveau le compresseur. Ce processus sera répété en continu pour une production d'énergie constante.
Cycle de turbine à gaz avec régénérateur
Le régénérateur est l'une des méthodes appropriées pour augmenter l'efficacité du cycle de la turbine à gaz.
L'échangeur de chaleur à contre-courant (régénérateur) est utilisé pour échanger la chaleur des gaz d'échappement de la turbine vers l'air sous pression sortant du compresseur.
L'énergie thermique du cycle de la turbine à gaz est augmentée en raison de la réutilisation de la chaleur d'échappement. On peut dire que la régénération diminue le besoin en carburant (en réduisant l'apport de chaleur). La méthode de régénération peut augmenter la efficacité thermique de la turbine à gaz plante de l'ordre de 35 à 40 %. Le régénérateur provoque une perte de pression mineure dans le système. La puissance de sortie a légèrement diminué en raison de la perte de pression.
Bien que le coût et l'entretien du cycle de régénération soient nécessaires, le bénéfice global est plus probable. Comparé au coût du combustible, le cycle de régénération de la turbine à gaz est très avantageux.
Exemple pratique d'une turbine à gaz à cycle fermé
La turbine à gaz à cycle fermé a le potentiel de fournir une alimentation électrique rapide et continue en utilisant les sources de chauffage suivantes.
- Combustibles fossiles
- L'énergie de biomasse
- Énergie solaire (Énergie solaire concentrée)
- Source d'énergie nucléaire
- Récupération de chaleur perdue
- L'énergie géothermique
- Source d'énergie hybride
- Carburant renouvelable
Le cycle de la turbine à gaz peut être associé à n'importe quelle source de chauffage énumérée ci-dessus. Les autres composants comme le compresseur, la turbine et le condenseur dans le cycle de la turbine à gaz restent les mêmes. La source de chauffage peut être modifiée par rapport aux exemples ci-dessus en fonction des besoins en puissance et en énergie. Le combustible largement utilisé pour une turbine à gaz est le gaz naturel ou GPL (gaz de pétrole liquéfié). Ces gaz naturels sont bien connus pour être utilisés en raison de leurs propriétés de combustion et de pureté. Le 400 GE, semblable à une turbine, fonctionne au naphta, au pétrole brut ou au fioul lourd.
La technologie actuelle se concentre également sur la réduction des émissions de carbone. La turbine à hydrogène a été développée pour réduire les pollutions. Comme nous le savons, l'hydrogène a un vaste potentiel pour l'énergie future. Cette turbine est flexible pour être utilisée dans les centrales électriques existantes et nouvelles afin de réduire les émissions.
Refroidissement intermédiaire et réchauffage dans un cycle de turbine à gaz
Le refroidissement intermédiaire et le réchauffage est un arrangement supplémentaire au cycle de turbine à gaz.
L'air est refroidi entre deux étages de compression en inter refroidissement. Ce processus peut réduire le travail de compression et le rendement du cycle de la turbine à gaz. Lors du réchauffage, les fumées chaudes de la turbine sont à nouveau réchauffées pour se détendre dans une autre turbine.
Le réchauffage est supérieur pour augmenter le travail de la turbine. Le réchauffage et le refroidissement intermédiaire sont des méthodes permettant d'améliorer la puissance de sortie spécifique et l'efficacité thermique du cycle de la turbine à gaz.
FAQ
Pourquoi les refroidisseurs intermédiaires sont-ils utilisés dans les compresseurs ?
Le refroidisseur intermédiaire est un composant précieux entre les étages des compresseurs.
Dans divers étages du compresseur, la température élevée du gaz du premier étage peut réduire les performances du deuxième étage du compresseur.
L'intercooler est installé entre les deux étages du compresseur. L'air chaud du premier étage est refroidi dans le refroidisseur intermédiaire puis fourni pour la compression du deuxième étage.
La température élevée occupe plus de volume du compresseur en raison de la plus grande distance intermoléculaire. La fonction de cet appareil est de diminuer ce volume. La réduction de volume est plus bénéfique pour la montée en pression.
Pendant le refroidissement intermédiaire, des vapeurs d'eau se forment en raison du refroidissement de l'air. Il est nécessaire de séparer ces vapeurs d'eau de l'air. C'est également une fonction principale du refroidisseur intermédiaire de fournir de l'air sec au deuxième étage.
Je m'appelle Deepak Kumar Jani, je poursuis un doctorat en mécanique et énergie renouvelable. J'ai cinq ans d'expérience en enseignement et deux ans en recherche. Mes domaines d'intérêt sont le génie thermique, l'ingénierie automobile, la mesure mécanique, le dessin technique, la mécanique des fluides, etc. J'ai déposé un brevet sur « L'hybridation de l'énergie verte pour la production d'électricité ». J'ai publié 17 articles de recherche et deux livres.
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