Cap sur le condenseur ! (Partie 1)

Les plus grosses pertes d’énergie dans un système de production électrique se concentrent au niveau du condenseur. Comment faire alors pour que la performance de cet échangeur clé reste au top ?

Lorsque la vapeur quitte les derniers étages de la turbine, elle n’a plus assez d’énergie pour être convertie en énergie mécanique de façon économique, elle doit alors être condensée en liquide et être envoyée dans le système.

Quels sont les flux et les processus thermiques mis en jeu au sein d’un condenseur ?

Au sein d’un condenseur classique de centrales électriques (où l’eau est le fluide caloporteur), la vapeur après détente dans la turbine est acheminée vers un compartiment où sont disposés des tubes parallèles (faisceau tubulaire) dans lesquels circule de l’eau (l’eau de circulation). La vapeur qui circule généralement de haut en bas dans le condenseur, se condense sur la surface externe des tubes (formation d’un film) et le condensat s’accumule dans la partie basse ou puits du condenseur : on retrouve en sortie, l’eau d’extraction.

L’eau de refroidissement distribuée à partir de boites à eau situées à chaque extrémité des faisceaux de tubes, circule à l’intérieur et se réchauffe de plusieurs degrés – entre 8 et 14°C - (récupération de la chaleur latente de condensation de la vapeur). Elle est alors soit rejetée dans l’environnement (circuit ouvert), soit refroidie à son tour via une tour aéroréfrigérante (circuit fermé).

Les débits d’eau prélevés en circuit ouvert étant très élevés, ils sont réservés aux unités situées à proximité de la mer ou d’une rivière (sous réserve que le débit d’étiage est suffisant).

La température de la vapeur à travers le faisceau tubulaire reste constante (température de saturation correspondant à la pression), notamment si on néglige la perte de charge côté vapeur (plutôt faible) et l’influence de l’air. Ce dernier paramètre est celui qui va le plus impacter le maintien de la température : des entrées d’air anormales provoquent l’abaissement de la température pendant la traversée du condenseur.

Ce type de condenseur à surface est la technologie dominante même si dans certains cas (problème de ressources en eau), la solution des condenseurs refroidis à l’air est une alternative intéressante*.

*Le cas des condenseurs à air (ACC Air Cooled Condensers) fera l’objet d’un article dédié.

Le vide

Le fonctionnement d’un condenseur se caractérise généralement par une série de courbes de vide tracées en fonction du débit de vapeur ou de la charge et ce, pour différentes températures d’entrée de l’eau de circulation.

Plus la température d’entrée de l’eau de circulation sera basse, plus basses seront la pression de condensation et température de saturation. La chute d’enthalpie entrée – sortie de la turbine n’en sera que plus élevée : d’où une plus grande production d’énergie (et un meilleur rendement).

D’où l’importance de maintenir une valeur de vide au condenseur suffisamment bas, en veillant aux entrées d’air et à l’encrassement des tubes qui diminuent le coefficient de transfert thermique.

La consultation des réseaux de courbes de vide est très utile car il s’agit d’un moyen de contrôler le bon fonctionnement du condenseur et d’estimer son encrassement avant de déclencher une opération de nettoyage.

Quelques points de design

Le nombre de tubes est calculé de façon à ce que la perte de charge côté vapeur soit faible. Un condenseur trop encombré de tubes peut en effet conduire à un moins bon vide.

La bonne répartition de la vapeur sur les tubes doit aussi faire l’objet de recherche d’un design optimal.

Enfin, il y aura également besoin d’augmenter la vitesse de la vapeur vers la base du condenseur de façon à garder un bon coefficient d’échange durant toute la traversée du condenseur (la quantité d’air ayant tendance à augmenter) : ceci impose un resserrement des files de tubes dans la partie basse.

Le film d’eau qui se forme autour des tubes au fur et à mesure de la condensation présente une résistance au transfert de chaleur. Il y a donc tout intérêt à disposer les tubes en quinconce : on évite ainsi que des tubes reçoivent l’écoulement d’un tube situé juste au-dessus de lui.

Quant au diamètre des tubes, il conditionne la vitesse de circulation de l’eau interne, mais nécessite de trouver un compromis. Ce paramètre joue en effet sur la surface du condenseur, la puissance de la pompe de circulation (et sa consommation d’énergie) et la formation de dépôts.

D'où viennent les dérives et comment y remédier ? Ce sujet sera abordé dans un prochain article.