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Remerciements Nous remercions en premier lieu, notre DIEU qui nous donné la vol

Remerciements Nous remercions en premier lieu, notre DIEU qui nous donné la volonté et la force pour effectuer ce travail. Nos vifs remerciements vont aussi à notre encadreur A.HAMDAD qui a fait tout son possible pour nous aider. Pour avoir su nous guider dans ce travail, pour avoir encore et toujours posé les bonnes questions, pour ses conseils, son intérêt et sa grande disponibilité. Merci monsieur. Nous remercions également les membres des jurys pour l’effort qu’ils feront dans le but d’examiner ce travail. Nous tenons à exprimer notre reconnaissance à tous nos amis qui nous ont soutenus et qui nous ont apporté leur aide. Dédicaces Je dédie ce travail à : Mon père A ma mère, source de force et de patience A mon frères et mes sœurs et mes neveux moh et nounouch A tous mes amis(es) B.Samir Dédicaces Avant tout, je remercie ‘Dieu’ de m’avoir donné le courage et la volonté pour réaliser ce travail ; que je dédie : A ma très chère mère, qui m’a accompagné durant les moments les plus pénibles de ce long parcours de mon éducation. A mon père qui a sacrifié sa vie afin de me voir grandir et réussir dans le parcours de l’enseignement. Celui qui a toujours resté à mes côtés dans les moments rudes de ma vie. A mes braves frères ; Bilal, Yacine, Hamza et Amine. A ma très chère Rebiha A mes chers amis ; Salah, Hamza, Ramdane, Akli, Rida, Said…..et tous les autres. A mes camarades Samir et Mahdi. A tous ceux qui ont contribué de loin ou de près à la réalisation de ce mémoire. Enfin, à tous ceux qui m’aiment. B.farid Liste des figures Figure 1.1 Principe de fonctionnement d’une turbine a gaz…. ………………………………7 Figure1.2 Cycle de Brayton…………………………………………………………………..8 Figure 1.3 Diagramme (T, S) du cycle simple ouvert réel…………………………………….8 Figure1.4 Cycle simple à deux arbres………………………………………………………...9 Figure1.5 Diagramme (T, S) du cycle a deux arbres…………………………………………9 Figure1.6 Schéma de composants d’une turbine a gaz……………………………………...10 Figure 1.7 Schéma d’une TAG à un seul arbre………………………………………………11 Figure 1.8 Schéma d'une Tàg à deux arbres………………………………………………….12 Figure1.9 Schéma d’une turbine pour la production d’électricité…………………………...13 Figure1.10 Schéma d’une centrale nucléaire………………………………………………...14 Figure 1.11Schéma d’un turbopropulseur……………………………………………………14 Figure 1.12 Schéma d’une turbosoufflante…………………………………………………..15 Figure 1.13 Schéma d’un turbomoteur……………………………………………………….15 Figure 1.14 Composants principaux d’un turboréacteur……………………………………..16 Figure 1.15 Représentation du cycle d’une turbine à gaz…………………………………….17 Figure 1.16 Cycle ouvert de la TAG dotée d'un refroidisseur par évaporation directe……...18 Figure1.17 Schéma d'un circuit d’injection de vapeur d'eau………………………………...20 Figure 2.1 Schématisation d’un système fermé et d’un système ouvert………………………27 Figure 2.2 Schématisation d’un système ouvert……………………………………………..30 Figure 3.1Schéma d’un cycle simple………………………………………………………...36 Figure 3.2 Diagramme de cycle théorique de Tàg à combustion isobare en (P, V) et (T, S).37 Figure3.3 Diagrammes de P-v et T-s de cycle idéal et non-idéal de Brayton……………….39 Figure3.4 Diagramme du cycle théorique de la TAG à combustion isobare en (T,s)……….41 Figure 4.1 Rendement réel en fonction du taux de compression (ߜ)………………………...53 Figure 4.2 La quantité de chaleur en fonction du taux de compression (ߜ)………………….54 Figure 4.3 Le travail net en fonction du taux de compression (ߜ)…………………………...54 Figure4.4 La puissance développée par la turbine en fonction de la température d’entrée T3……………………………………………………………………………………………………………………………………………55 Figure 4.5 Variations de l’exergie détruite en fonction de la température ambiante T0……..56 Figure 4.6 Variations de l’exergie détruite en fonction de la température d’entrée turbine T356 Figure 4.7 Variation de l’exergie détruite en fonction de taux de compression…………….57 Figure 4.8 Variation de l’exergie totale (utile) en fonction de taux de compression………..58 Liste des tableaux Tableau (4.1) : résultats de l’analyse exergétique de chaque composant………………52 Nomenclature Symboles Désignation Unités Ωi La section de passage [m2] δ taux de compression Cp Chaleur spécifique à pression constante [Kj/Kg.k] E Energie totale du système [J] Ec Énergie cinétique du system [J] Ep Énergie potentielle [J] Et Energie totale du système [J] Ė ୶ୢୣ୲ Flux Exergétique détruit [W] E୶ୢୣ୲ Exergie détruite [J] H L’enthalpie spécifique [Kj/Kg] ht L’enthalpie totale de l’unité de masse de fluide [KJ/Kg] Li La longueur unitaire [m] M La masse [Kg] Mi La masse du fluide [Kg] P Pression [Pa] Pi La pression exercée [Pa] Pu Puissance utile [W] ܳ̇ Puissance calorifique [W] Q Chaleur transférée [J/Kg] R Constante des gaz parfait [J/mol.k] S Entropie spécifique du flux dans l’état considéré [J/Kg.K] Sgen Entropie généré [J/K] gen La puissance entropie généré [W/K] T Température [K] U Energie interne [J] Vi Le volume massique du fluide [m3/Kg] W Travail massique transféré [J/Kg] ܹ ̇ Puissance transférée [W] wiscc Travail isentropique de la chambre de combustion [J/kg] wnet Le travail net [J/kg] wisc Travail isentropique de compresseur [J/kg] Xi Fraction molaire du gaz Z La hauteur [m] ɳ Le rendement 1 Sommaire Introduction Générale……………………………………………………….4 -5 1 Généralités sur les turbines a gaz 1.1Introduction………………………………………………………………....................6 1.2 Historique de la turbine à gaz…………………………………………………………..6 1.3 Définition………………………………………………………………………………6 1.4 Principe de fonctionnement d’une turbine à gaz……………………………………………7 1.5 Cycle de joule_ baryton………………………………………………………………...7 1.6 Le cycle réel……………………………………………………………………………8 1.7 Le cycle simple à deux arbres………………………………………………………….8 1.8 Composants d’une turbine à gaz………………………………………………………9 1.8.1 Un compresseur…………………………………………………………………..9 1.8.2 Une chambre de combustion……………………………………………………10 1.8.3 Une turbine……………………………………………………………………...10 1.8.3.1 turbines axiales………………………………………………………………..10 1.8.3.2 turbines radiales……………………………………………………………….10 1.9 Classement des turbines a gaz………………………………………………………..10 1.9.1 Turbines industrielles…………………………………………………………...11 1.9.1.1 Turbine à un arbre…………………………………………………………….11 1.9.1.2 Turbine à deux arbres…………………………………………………………11 1.9.2 Turbines de type aviation (Aéro –dérivative)………………………………….12 1.10 Principales utilisation………………………………………………………………..12 1.10.1 Utilisation des turbines a gaz pour la propulsion……………………………...13 1.10.2 Production combinée chaleur force……………………………………………13 1.10.3 Pompage et compression………………………………………………………13 1.10.4 Production d’électricité………………………………………………………..13 1.10.4.1 les centrales nucliére………………………………………………………..14 1.10.5 Aéronautique…………………………………………………………………..14 1.10.5.1 Turboréacteurs (turbo jet)……………………………………………………14 1.10.5.2 Le turbopropulseur………………………………………………………….14 1.10.5.3 La turbosoufflante…………………………………………………………..15 1.10.5.4 Le turbomoteur………………………………………………………………15 1.10.5.5 Turbine à gaz d’avion………………………………………………………..15 2 1.10.6 Turbine à gaz des véhicules…………………………………………………...16 1.10.6.1 Automobile…………………………………………………………………..16 1.10.6.2 Suralimentation par les gaz d’échappement………………………………...16 1.10.7 Utilisation des turbines à gaz dans les stations de réinjection dans un gisement de pétrole de gaz………………………………………………………………………17 1.11 Puissance et rendement………………………………………………………………….17 1.12 Etat de l’art du développement et d’amélioration de la Tàg…………………………….18 1.13 Pollution…………………………………………………………………………………23 1.13.1 Pollution physique…………………………………………………………….23 1.13.2 Pollution chimique……………………………………………………………23 1.14 Avantages et inconvénient d’une turbine à gaz…………………………………………24 1.15 Conclusion………………………………………………………………………………24 2 Notion sur l’énergie et l’exergie…………………………………………..25 2.1 Introduction………………………………………………………………………………25 2.2 Premier principe de la thermodynamique………………………………………………...25 2.2.1 Définition de l’énergie interne………………………………………………….26 2.2.2 Bilan énergétique d’un système ouvert…………………………………………26 2.2.3 Système ouvert en régime permanent…………………………………………..28 2.3 Deuxième principe de la thermodynamique……………………………………………...29 2.3.1 Enoncé original de Clausius……………………………………………………29 2.3.2 Enoncé de lord kelvin…………………………………………………………...29 2.3.3 Définition de l’entropie…………………………………………………………29 2.3.4 Bilan entropique d’un système ouvert…………………………………………..30 2.4 Notions sur l’exergie……………………………………………………………………...30 2.4.1 Définition de l’exergie………………………………………………………….31 2.4.2 Expression de l’exergie associée à différents porteurs…………………………31 2.5 Irréversibilités…………………………………………………………………………….34 2.5.2 Irréversibilité interne…………………………………………………………...34 2.5.2 Irréversibilité externe…………………………………………………………...34 2.6 Rendement exergetique…………………………………………………………………...34 3 Analyse énergétique et exergétique de la TAG…………………………..36 3.1 Introduction………………………………………………………………………………36 3.2 Données du problème……………………………………………………………………..36 3 3.3 Analyse énergétique de la turbine à gaz…………………………………………………..36 3.3.1 Le cycle idéal de Brayton……………………………………………………….37 3.3.2 Cycle non- idéal de Brayton…………………………………………………….39 3.4 Bilan énergétique…………………………………………………………………………40 34.1 Cas d’un gaz parfait……………………………………………………………..40 3.4.2 Cas d’un gaz idéal………………………………………………………………43 3.5 Bilan entropique de la turbine à gaz………………………………………………………47 3.5.1 Compresseur…………………………………………………………………….47 3.5.2 Chambre à combustion………………………………………………………….47 3.5.3 Turbine………………………………………………………………………….47 3.6 Analyse exergétique………………………………………………………………………48 3.6.1 Cas des systèmes fermé………………………………………………………...48 3.6.2 Cas d’un système ouvert en régime permanant………………………………...48 3.7 Calcules exergetiques……………………………………………………………………..50 3.7.1 Compresseur…………………………………………………………………….50 3.7.2 Chambre de combustion………………………………………………………...50 3.7.3 Turbine………………………………………………………………………….51 3.8 Rendement exergetique…………………………………………………………………...51 3.8.1 Compresseur…………………………………………………………………….51 3.8.2 Chambre de combustion………………………………………………………..51 3.8.3 Turbine………………………………………………………………………….51 3.9 Résultats des calculs exergétique………………………………………………………...52 4 Résultats et discutions……………………………………………………………………...53 4.1 Variation du rendement réel en fonction de taux de compression………………………..53 4.2 Variation de la quantité de chaleur massique reçue de la source chaude………………..53 4.3 Variations du travail massique net………………………………………………………..54 4.4 Variation de la puissance de la turbine en fonction de la température (T3) :(température de l’entré de la turbine)…………………………………………………………………………..55 4.5 Variation de l’exergie détruite en fonction de la température ambiante…………………55 4.6 Variations de l’exergie détruite en fonction de la température d’entrée dans la turbine...56 4.7 Variation de l’exergie détruite en fonction de taux de compression……………………...57 4.8 Variation de l’exergie totale (utile) en fonction de taux de compression………………..57 4 Introduction générale Les turbines à gaz sont des moteurs à combustion interne. Elles ont connu ces dernières années un rythme de développement accéléré dans l’industrie des hydrocarbures, les turboréacteurs et la production de d’énergie électrique…etc. Elles sont très sensibles aux conditions climatiques, tel que la température de l’air ambiant et l’humidité, en plus des méthodes de leur utilisation et de leur emplacement. Une température élevée conduit à une diminution de la densité de l’air, ce qui réduit l’intensité de la combustion ; tous ces facteurs ont un impact direct sur leurs rendements. Beaucoup de méthodes sont utilisées pour l’augmentation de la puissance, afin de compenser les effets des conditions ambiantes sur le rendement de la turbine à gaz. Les ingénieurs utilisent des méthodes qui font appel à l’efficacité énergétique ou à d’autres grandeurs physiques. Cette méthodologie est fondamentalement et objectivement délicate à mettre en œuvre, car elle conduit dans de nombreux cas à privilégier soit l’un, soit l’autre de ces critères : physiques ou économiques. Pour les aspects physiques et notamment énergétiques, le seul intérêt des concepteurs va en général à la minimisation de la consommation d’énergie. Pour cela, ils font appel au rendement énergétique des systèmes qui est défini comme un rapport entre l’énergie utile et l’énergie utilisée, ces énergies pouvant être du même type ou de types différents (chimique, thermique, mécanique, électrique, etc.). Cette démarche découle uploads/Geographie/ analayse-energetique-et-exergitique-d-x27-une-turbine-a-gaz.pdf