Surveillance des performances du condenseur (Partie 1)

La première moitié de cette série en deux parties examine les idées de base derrière l'importance du transfert de chaleur par condenseur.

Par Brad Buecker – Buecker & Associates, LLC

Un article récent de Power Engineering traitait d'une technologie développée par l'Université de l'Illinois dans sa centrale électrique d'Abbot pour augmenter les performances du condenseur de surface à vapeur jusqu'à 2 %.1

Cela peut sembler peu, mais une telle amélioration peut être très précieuse. Dans cette première partie d'une série en deux parties, nous examinerons les idées de base derrière l'importance du transfert de chaleur du condenseur, et dans la deuxième partie, nous passerons en revue des méthodes simples pour surveiller les performances du condenseur. L'encrassement ou le tartre côté eau, ou côté vapeur une fuite d'air excessive peut gravement affecter l'efficacité du condenseur et sa capacité de refroidissement.

Le mot « thermodynamique » évoque pour de nombreuses personnes (y compris parfois cet auteur) des visions de mathématiques complexes. Pourtant, des formules thermodynamiques relativement simples peuvent expliquer beaucoup de choses sur les principes fondamentaux des générateurs de vapeur, y compris le transfert de chaleur par le condenseur.

La thermodynamique repose principalement sur deux lois. On les appelle parfois en plaisantant (première loi) « Vous ne pouvez pas obtenir quelque chose sans rien » et (deuxième loi) « Vous ne pouvez pas atteindre le seuil de rentabilité ». La première loi est basée sur la conservation de l'énergie. Il dit que l’énergie utilisée dans un système n’est ni créée ni détruite mais seulement transférée. L'équation énergétique classique pour un système fondamental (défini comme un volume de contrôle dans les manuels)2,3 est :

Q – Ws = ṁ2[V22/2 + gz2 + u2 + P2υ2] – ṁ1[V12/2 + gz1 + u1 + P1υ 1] + dEc.v./dt Éq. 1

Où,

Q = Apport de chaleur par unité de tempsWs = Travail sur l'arbre, tel que celui effectué par une turbine, par unité de tempsṁ2 = Débit hors du système par unité de tempsṁ1 = Débit dans le système par unité de temps (V22 – V12)/2 = Modification de la cinétique énergiegz2 – gz1 = Changement d'énergie potentielleu2 = Énergie interne du fluide sortantu1 = Énergie interne du fluide entrantP2υ2 = Travail d'écoulement du fluide à sa sortie du système (P = pression, υ = volume spécifique)P1υ 1 = Travail d'écoulement du fluide comme il entre dans le systèmedEc.v./dt = Changement d'énergie au sein du système par unité de temps

Même si cette équation peut paraître compliquée, elle peut être mieux comprise grâce à quelques définitions et simplifications. Premièrement, dans de nombreux systèmes et en particulier dans les générateurs de vapeur, les énergies potentielles et cinétiques sont très mineures par rapport aux autres changements d'énergie et peuvent être négligées. Deuxièmement, dans un processus à flux constant tel qu'un générateur de vapeur, le système n'accumule pas d'énergie, donc dEc.v./dt est nul. La suppression de ces termes laisse l'énergie interne du fluide (u) ainsi que ses capacités de travail d'écoulement (Pυ). Les scientifiques ont combiné ces deux termes dans la propriété très utile connue sous le nom d'enthalpie (h). L'enthalpie est une mesure de l'énergie disponible du fluide, et les enthalpies ont été calculées pour une large gamme de conditions de vapeur et de liquide saturé. Ces valeurs peuvent être trouvées dans les tableaux de vapeur standard, où l'eau saturée à 0°C a été désignée comme ayant une enthalpie nulle.

En utilisant ces simplifications et définitions, l’équation énergétique pour un fonctionnement à débit constant se réduit à :

Q – Ws = ṁ(h2 – h1) Éq. 2

Mais cette équation représente le scénario idéal sans perte d’énergie, et c’est ici qu’intervient la deuxième loi. Entre autres choses, la deuxième loi décrit la direction du processus. Une tasse de café chaude posée sur une table de cuisine ne devient pas plus chaude alors que la pièce se refroidit. Les êtres humains vieillissent. Un nombre littéralement infini d’exemples sont possibles, mais ces exemples traduisent l’essence de la deuxième loi.

La deuxième loi repose sur le concept du cycle de Carnot, qui dit que le moteur le plus efficace qui puisse être construit fonctionne avec un apport thermique (QH) à haute température (TH) et une décharge thermique (QL) à basse température (TL). ), dans lequel

QH/TH – QL/TL = 0 Éq. 3

Cette équation représente un moteur théoriquement idéal. Dans chaque processus connu de l'homme, des pertes d'énergie se produisent. Ceux-ci peuvent être dus à la friction, à la chaleur s'échappant du système, à des perturbations de l'écoulement ou à divers autres facteurs. Les scientifiques ont défini une propriété appelée entropie(s), qui, dans ses termes les plus simples, est basée sur le rapport entre le transfert de chaleur dans un processus et la température (Q/T). Dans chaque processus, le changement global d’entropie d’un système et de son environnement augmente.