Bon, un petit up mais qui m'a demandé moults efforts
. C'est dur de se remettre à la thermo
On se propose de dimensionner le circuit de production d'énergie électrique de l'Arche.
Tout d'abord, après réflexion, il n'y a aucun avantage substantiel à produire cette électricité dans la corole. On a vu qu'en câblerie, pour transporter ce courant vers l'habitacle cela représentait quelque chose de pas négligeable, dans l'absolu (même si c'est marginal rapporté à l'ensemble de la structure).
Les besoins en Deutérium sont de 2,0 g/s dans l'hypothèse retenu, soit environ 450 m
3/an de glace par an. Mieux vaut transporter le combustible que le courant.
Ce n'est toutefois pas la principale raison de ce rapatriement : il s'agit surtout de valoriser l'eau de refroidissement. On va cogénérer de la vapeur basse pression avec cela. La cogénération sert ici-bas, sur Terre, à produire de l'eau tiède pour le chauffage. Mais le chauffage cela ne nous intéresse pas, on cherche au contraire à refroidir la structure. Par contre, de la vapeur en masse qui se condense nous intéresse pour... faire pleuvoir. Caramba, cette fois ci j'y arriverais. Mieux vaut s'en servir pour faire cela que de la bazarder directement dans l'espace.
De la sorte on utilise le processus de refroidissement de la structure déja mis en place au lieu de construire des radiateurs supplémentaires dans le vide.
La centralisation d'une activité aussi stratégique dans le moyeu présente également un intérêt ; c'est si j'ose dire son emplacement naturel. On prévoit une unité de production par segment (l'Arche est bâtie sur une symétrie de 12 éléments). Chaque éléments représente la production d'une dizaine de centrale nucléaire. C'est une grosse activité et il vaut mieux en faciliter l'accès.
Un petit schéma pour visualiser les principes retenus :
Schéma de circulation des fluides liés à la production d'énergie.Détaillons un peu, on cherche tout d'abord à minimiser les contraintes mécaniques vu qu'il s'agit d'un système destiné à fonctionner plusieurs siècles. Pour cela, on ne travaille pas à trop haute pression ou température. Soit 100 bars et 530°C à l'admission de la turbine.
La vapeur est surchauffée, c'est à dire qu'après une première détente en turbine haute pression, qui l'amène de 100 à 10 bars, elle reçoit à nouveau un coup de chauffe à 530°C pour se détendre dans une turbine basse pression.
Cette surchauffe permet d'éviter que le changement d'état se fasse dans la turbine (formation de gouttelettes d'eau liquide), ce qui y libèrerait une chaleur de changement d'état dont on n'a que faire ici et abimerait les turbines. La surchauffe permet d'améliorer le rendement thermo sans travailler à haute température. En sortie, on récupère une vapeur basse température/basse pression. Vu que le circuit d'acheminement de la vapeur BP circule dans les parois, c'est plus sécurisant.
L'espace interparois est maintenu en vide permanent, à 0,02 bar qui est pression du point de rosée pour la température interne de l'Arche, 20°C.
On fonctionne en principe en cycle fermé ou plutot semi-fermé : océan | eau douce sinus | circuit de refroidissement. Cela évite à avoir à désaliniser en masse l'eau océanique. Je règle un vieux problème. On assure le transfert thermique océan-sinus avec des échangeur, de même entre les sinus et le circuit de refroidissement. Non représenté sur le schéma, le retour des précipitations dans les sinus. On cherche plutôt à éviter le mélange avec les eaux océaniques, même si cela va se produire à la marge.
On maintient le circuit de refroidissement en circuit fermé afin de ne pas le polluer avec des eaux chargées. La vapeur détendue qui sort de la turbine plonge dans l'eau des sinus où elle se condense. Se faisant elle transfert son énergie de changement d'état et cela provoque l'évaporation de la quantité équivalente d'eau dans l'interparois. On fonctionne ici au point d'équilibre liq/vap. Le différentiel de température est faible ~ 5°C. C'est un simple transfert de changement d'état d'un compartiment à l'autre.
On suppose que cette condensation se fait dès le contact avec l'eau sinusale et par ailleurs on fait circuler ensuite cette eau condensée au plus près de l'épiderme afin de le réchauffer et d'accélérer les échange radiatif avec l'espace. Par ailleurs l'eau des sinus est à l'équilibre de hauteur avec l'océan. La hauteur d'eau dans le bas du circuit est d'environ 40 m soit une pression de 4 bars. On place en bas de colonne une pompe haute pression qui va ramener l'eau vers le moyeu. La hauteur équivalente h', en terme gravité (rho.g.h) est égale à la moitié du rayon. L'accélération de la pesanteur est en effet progressive et intégrée sur le rayon, h'=h/2, soit 2500 m. La pompe doit fournir une pression de 250 bars.
Il s'agit là d'un circuit de grande dimension (5000 m) à haute pression. Un point critique.
Arrivé en haut a pression normale (1 bar) l'eau est recompressée à 100 bar pour alimenter le générateur de vapeur.
Quantitativement ça donne le tableau de données suivant :
La turbine reçoit (en indice : les deux étages de détente, haute pression + basse pression après surchauffe) :
W
-[1'-1]+[2-1"] = 1680 kJ/kg
La chaleur reçue est (chauffe + surchauffe) est :
Q
+[1-6]+[1"-1] = 4130 kJ/kg
Le travail reçu par le fluide (compression basse et haute) est :
W
+[4-3]+[6-5] = 34 kJ/kg
Auquel s'ajoute le travail contre la pesanteur pour remonter l'eau vers le moyeu :
W
+ = gh' = 25 kJ/kg
Soit un W
+ total de 59 kJ/kg
Le rendement mécanique est :
r = W
-/(Q
+ + W
+) = 0,40
On veut 125 GW d'énergie lumineuse. L'énergie électrique nécessaire aux activités anthropiques est négligeable, de l'ordre de 0,25% de ce total (6,1 kW/archonautes x 50 000 = 0,3 GW).
Les alternateurs ont un rendement électrique de l'ordre de 0,95. La transformation de l'énergie électrique en lumière dans des dispositifs électroluminescents se fait également à un excellent rendement, disons à nouveau 0,95.
Le rendement total est donc de l'ordre de
0,36. Pour assurer la production de lumière, l'Arche doit produire une énergie primaire de
350 GW, ce qui nécessite la combustion thermonucléaire de 2g de Deutérium par seconde dans les réacteurs à fusion du Moyeu. La densité d'énergie du Deutérium est prise égale à 1,75.10
14J/kg.
Aux CNTP
(1) le débit d'eau circulant dans le circuit représente 85 m
3/s, ce qui correspond au débit d'une rivière française
(2) de débit moyen. On peut donc alimenter un cours d'eau et même plusieurs. Et cela correspond au volume des précipitations ! Moyenné sur les 314 km² de l'Arche, cela représente... 8500 mm/an ! Diluvien. C'est chouette. Cela veut dire qu'on a toute l'eau qu'on veut. Bien entendu on peut distribuer cette eau où l'on veut. Tout contraste en bon à prendre.
Bon maintenant... Tout ceci est-il correct ?
...
A l'attaque !
a+
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(1) CNTP : conditions normales de température et de pression, soit 0°C et 1 atmosphère.(2) Rivières françaises dont le débit est compris entre 60 et 100m3/s : le Cher, l’Yonne, le Gave de Pau, la Creuse, la Sarthe, l’Arve, l’Ariège, l’Aisne, l’Isle