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Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur en Génie I

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel. Présenté et soutenu par : ANDRIANJAFINIAINA Sitraka Directeur de mémoire : RAKOTONIAINA Solofo Hery Maître de conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo Date de soutenance : 04 Août 2006 UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE ********************* FILIERE GENIE INDUSTRIEL DEPARTEMENTS : GENIE ELECTRIQUE GENIE MECANIQUE PRODUCTIQUE ************* Promotion : 2006 Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel. Présenté et soutenu par : ANDRIANJAFINIAINA Sitraka Président du Jury : Monsieur RAVELOMANANA Nathanaël Enseignant à L’ESPA Membres du Jury : Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré ; Enseignant à L’ESPA Monsieur RABENARIVO Michel ; Enseignant à L’ESPA Directeur de mémoire : Monsieur RAKOTONIAINA Solofo Hery, Maître de conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo Date de soutenance : 04 Août 2006 UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE ********************* FILIERE GENIE INDUSTRIEL DEPARTEMENTS : GENIE ELECTRIQUE GENIE MECANIQUE PRODUCTIQUE ************* Promotion : 2006 REMERCIEMENTS Je tiens à présenter mes vifs et sincères remerciements tout à bord à Dieu tout puissant de nous a laissé en vie jusque là. Mes sincères remerciements s’adressent particulièrement à mes parents qui m’ont aidé tant financièrement que moralement dans l’accomplissement de mes études. Ce travail n’aurait pas été mené jusqu’au bout sans le concours d’un certain nombre de personnes que je tiens à remercier notamment plus particulièrement : - Monsieur Pascal RAMANANTSIZEHENA, le Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui m’a accordé la chance de poursuivre mes études supérieures depuis la première année jusqu’à maintenant, - Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Chef de Département Génie électrique qui cherche toujours à développer notre Département, - Monsieur JOELIHARITAHAKA Rabeatoandro, Chef de Département Génie mécanique et productique, - Monsieur RAVELOMANANA Nathanaël, qui a bien voulu accepter de présider cette soutenance, - Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré, Monsieur RABENARIVO Michel, qui ont accepté de juger ce travail, - Monsieur RAKOTONIAINA Solofo Hery, mon Directeur de mémoire, qui a consacré son temps pour mener à bien mon travail, - Mes vifs remerciements s’adressent également à tous nos professeurs qui nous ont appris beaucoup des choses qui étaient utiles lors de l’étude à l’ESPA. Qu’ils veuillent bien trouver ici le témoignage de ma reconnaissance et ma profonde gratitude. Enfin, je tiens aussi à remercier mes amis, tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce travail et m’ont soutenu moralement durant mes études à l’ESPA. TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX LISTE DES SYMBOLES ET ABREVIATIONS INTRODUCTION .................................................................................................................... 1 Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES ENERGIES .......................................................... 2 1.1. LES ENERGIES ............................................................................................................. 2 1.1.1 Origines et formes de l’énergie ............................................................................. 2 1.1.2 Les énergies non renouvelables ............................................................................. 2 1.1.3 Les énergies renouvelables .................................................................................... 3 I.2. DEVELOPPEMENT DURABLE EN ENERGIE ........................................................... 4 1.3. MAITRISE DE L’ENERGIE .......................................................................................... 4 1.4. SITUATION ENERGETIQUE A MADAGASCAR [2] ................................................ 5 Chapitre 2 : ALTERNATEUR D’UN GROUPE ELECTROGENE ................................... 8 2.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ........................................................................... 8 2.1.1 Alternateur monophasé ......................................................................................... 8 2.1.2 Alternateur triphasé ............................................................................................... 9 2.1.3 Organisation d’un alternateur triphasé .................................................................. 9 2.1.4 Symboles ............................................................................................................. 10 2.2. LES EXCITATRICES DES ALTERNATEURS ......................................................... 10 2.2.1 Alternateur avec excitatrice à courant continu .................................................... 10 2.2.2 Alternateur sans excitatrice autoalimenté ........................................................... 11 2.3. REGULATEUR DE CHARGE .................................................................................... 12 2.4. BILAN ENERGETIQUE DE L’ALTERNATEUR ...................................................... 14 2.4.1 Bilan de puissance ............................................................................................... 14 2.4.2 Bilan des pertes ................................................................................................... 15 2.5. LIMITES DE FONCTIONNEMENT ........................................................................... 15 Chapitre 3 : ECHANGEURS DE CHALEUR .................................................................... 17 3.1. GENERALITES ............................................................................................................ 17 3.1.1 Les fluides caloporteurs ...................................................................................... 17 3.2. LES DIFFERENTS TYPES DES ECHANGEURS DE CHALEUR ........................... 17 3.2.1 Les échangeurs de mélange : ............................................................................... 18 3.2.2 Les échangeurs à récupération : .......................................................................... 18 3.2.3 Les échangeurs à régénération : .......................................................................... 18 3.2.4 Classification des échangeurs selon les formes de l’appareil ............................. 19 3.3. LES TRANSFERTS DE CHALEUR ........................................................................... 20 3.3.1 Conduction .......................................................................................................... 20 3.3.2 Convection .......................................................................................................... 20 3.3.3 Le rayonnement ................................................................................................... 21 3.4. LE SECOND PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE ....................................... 22 Chapitre 4 : LE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ................................................ 23 4.1. LE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ............................................................... 23 4.1.1 Principe de fonctionnement ................................................................................. 23 4.1.2 Moteur Diesel ...................................................................................................... 23 4.2. LA COMBUSTION DES CARBURANTS .................................................................. 25 4.2.1 Définitions : ......................................................................................................... 25 4.2.2 Equations de la combustion ................................................................................. 25 4.2.3 Quantité de chaleur du combustible [8] .............................................................. 27 4.2.4 Le stoechiométrie ................................................................................................ 28 4.2.5 Expression de la richesse ..................................................................................... 29 4.2.6 Pouvoirs Calorifiques .......................................................................................... 29 4.2.7 Composition des gaz d’échappement .................................................................. 31 4.3. LES ELEMENTS CARACTERISTIQUES DU MOTEUR [6] ................................... 31 4.3.1 Puissance indiquée .............................................................................................. 31 4.3.2 Le rendement indiqué .......................................................................................... 31 4.3.3 Consommation spécifique indiquée .................................................................... 32 4.3.4 Caractéristiques mécaniques ............................................................................... 32 4.3.5 Caractéristiques effectives ................................................................................... 33 4.4. COURBES DE COUPLE ET DE CONSOMMATION ............................................... 34 4.4.1 Le couple ............................................................................................................. 35 4.4.2 La consommation ................................................................................................ 35 Chapitre 5 : TECHNOLOGIE DE LA COGENERATION D’ELECTRICITE ET DE CHALEUR…………………………………………………………….. ......................... 37 5.1. CENTRALE A COGENERATON ............................................................................... 37 5.1.1. Définition ........................................................................................................... 37 5.1.2 Les principes de la cogénération [3] p. 266 ........................................................ 37 5.1.3 Les rendements du système à cogénération ........................................................ 40 5.1.4 Rejets thermiques dans un moteur à combustion interne .................................... 40 5.1.5 Cogénération à cycle combiné ............................................................................ 41 5.1.6 Les éléments caractéristiques de la cogénération ................................................ 43 5.2. L’ORGANISATION DE LA COGENERATION [16] ................................................ 43 5.2.1 Les turbines à gaz ................................................................................................ 43 5.2.2 Les turbines à vapeur ........................................................................................... 46 5.2.3 Les moteurs à combustion interne des centrales électriques ............................... 48 5.3. INTERETS ET CONTRAINTES DE LA COGENERATION .................................... 50 5.3.1 Son intérêt ........................................................................................................... 50 5.3.2 Contraintes de la cogénération ............................................................................ 51 Chapitre 6 : EVALUATION DE LA QUANTITE DE CHALEUR RECUPERABLE DANS UN MOTEUR A COMBUSTION............................................................................. 52 6.1. MODELISATION D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR .......................................... 52 6.1.1 Evaluation de la différence de température entre le gaz d’échappement et l’eau de refroidissement…………………………………………………….. ................. 52 6.1.2 Les paramètres de l’échangeur au niveau du gaz d’échappement ................. 54 6.2. PROPRIETES DES MATERIAUX EMPLOYES ........................................................ 56 6.3. DISTRIBUTION ET LE STOCKAGE DE LA CHALEUR ........................................ 57 6.3.1 Système de stockage de la chaleur ...................................................................... 57 6.3.2 Le ballon de stockage .......................................................................................... 58 6.4. BILAN ENERGETIQUE .............................................................................................. 59 6.4.1 Facteurs déterminant l’économie d’énergie primaire .......................................... 59 6.4.2 Calcul de l’économie d’énergie primaire ............................................................ 60 6.4.3 Valeurs limites ..................................................................................................... 62 Chapitre 7 : ELABORATION D’UN LOGICIEL .............................................................. 63 DE SIMULATION ................................................................................................................. 63 7.1. INTRODUCTION ......................................................................................................... 63 7.2. STRUCTURE DU PROGRAMME .............................................................................. 63 7.2.1. Organigramme de calcul .................................................................................... 64 7.3. PRESENTATION DU LOGICIEL ............................................................................... 66 7.3.1 Etude de cas d’un moteur de puissance 40 kW ................................................... 67 7.3.2 Etude de la stabilité des résultats obtenus ........................................................... 71 Chapitre 8 : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL .............................................. 74 8.1. ETUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ....................................................... 74 8.2. Pollution industrielle ..................................................................................................... 74 8.3. IMPACTS NEGATIFS ................................................................................................. 75 8.4. IMPACTS POSITIFS .................................................................................................... 75 8.5. MESURES D’ATTENUATIONS ................................................................................. 76 CONCLUSION GENERALE ............................................................................................... 78 BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE........................................................................... 79 ANNEXE I ANNEXE II ANNEXE III ANNEXE IV LISTE DES FIGURES Figure N° 1 : Centrale thermique ........................................................................................ 7 Figure N° 2 : Symboles de l’alternateur .......................................................................... 10 Figure N° 3 : Alternateur excitatrice ................................................................................ 11 Figure N° 4 : Alternateur auto-alimenté .......................................................................... 12 Figure N° 5 : Principe de régulation par le courant d’excitation ............................. 13 Figure N° 6 : Schéma équivalent pour une phase ....................................................... 14 Figure N° 7 : Limites de fonctionnement ....................................................................... 16 Figure N° 8 : Sens de courant ........................................................................................... 18 Figure N° 9 : Cycle thermique (moteur) .......................................................................... 22 Figure N° 10 : Système de refroidissement d’un moteu r Diesel .............................. 24 Figure N° 11 : Courbes de consommation et de couple pour moteur Diesel ...... 35 Figure N° 12 : Système à cogénération .......................................................................... 37 Figure N° 13 : Exemple d’application de la cogénérat ion ......................................... 39 Figure N° 14 : Principe de la cogénération à cycle c ombiné .................................... 42 Figure N° 15 : Schéma d’une turbine à gaz ................................................................... 45 Figure N° 16 : Schéma d’une turbine à vapeur ............................................................. 47 Figure N° 17 : Cogénération d’un moteur à combustio n interne ........................... 48 Figure N° 18 : Ballon de stockage .................................................................................... 58 Figure N° 19 : Bilan énergétique ...................................................................................... 59 Figure N° 20 : Organigramme de bilan énergétique .................................................... 64 Figure N° 21 : Organigramme de calcul paramètre écha ngeur ................................ 65 Figure N° 22 : Fenêtre d’accueil ....................................................................................... 66 Figure N° 23 : Interface de bilan énergétique ............................................................... 68 Figure N° 24 : Interface de calcul d’un échangeur ...................................................... 69 Figure N° 25 : Echangeur à serpentin ............................................................................. 70 Figure N° 26 : Courbe de chaleur récupérable ............................................................. 71 Figure N° 27 : Courbe de rendement de la cogénératio n .......................................... 72 Figure N° 28 : Variation de la longueur d’échangeur .................................................. 73 LISTE DES TABLEAUX Tableau N° 1 : Ressource des énergies ........................................................................... 7 Tableau N° 2 : Choix du pouvoir calorifique du carbu rant ........................................ 30 Tableau N° 3 : Caractéristiques d’une turbine à gaz .................................................. 44 Tableau N° 4 : Avantages et inconvénients d’une turb ine à gaz ............................. 45 Tableau N° 5 : Caractéristiques des turbines à vapeu r .............................................. 46 Tableau N° 6 : Avantages et inconvénient d’une uploads/Industriel/ andrianjafiniainasitraka-espa-ing-06 1 .pdf