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Convertisseurs Thermomécaniques (machines thermiques A. Outzourhit Master Green

Convertisseurs Thermomécaniques (machines thermiques A. Outzourhit Master Green Bee • Elles sont classées selon le fluide utilisé : • les centrales hydrauliques (eau) • les centrales à vapeurCycles de puissance à vapeur: le fluide de travail est alternativement vaporisé et condensé (https://www.youtube.com/watch?v=SPg7hOxFItI) • Turbines GAZ TAG (air) cycles de puissance à gaz pour lesquels le fluide de travail reste un gaz tout au long du cycle (https://www.lavionnaire.fr/MotorElements.php) https://fr.wikipedia.org/wiki/Tuy% https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/C hapter4c.html Les centrales à vapeur sont classées selon le type de combustible utilisé pour fournir de la chaleur à la vapeur.: • centrales au charbon, • centrales nucléaires • gaz naturel • Centrales solaires, géothermie… Dans tous les types, la vapeur passe par le même cycle de base Conversion thermomécanique suivi d’une conversion électromécanique Centrales électriques Les convertisseurs thermomécaniques • L'activité principale de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique a lieu grâce à un fluide de travail (ou fluide moteur): • vapeur (dans les machines à vapeur et les turbines à vapeur) • les produits de la combustion du carburant dans l'air (moteurs à combustion interne) Deux types de moteurs: • Moteurs à pistons: conversion de l'énergie de la pression du fluide moteur en travail mécanique; • Turbine (à vapeur, turbine à gaz): conversion de l'énergie cinétique du fluide moteur en travail mécanique Machine thermique Puissance mécanique Puissance thermique Les convertisseurs thermomécaniques , convertissent l’énergie thermique en énergie mécanique et vice et versa. PRINCIPE Principe fonctionnement • On fait subir à un fluide des transformations cycliques au cours desquelles le fluide échange avec l'extérieur de l'énergie sous forme de travail et de chaleur. • Infinité de cycles possibles, mais ils comportent tous au moins quatre transformation: • une compression, • un échauffement, • une détente • et un refroidissement. • Ces évolutions peuvent être séparées dans l’espace (turbine à gaz, réfrigérateur), ou dans le temps (ex. moteurs à combustion interne, ..) • L’apport de la chaleur peut être: • interne Moteur à combustion interne(moteur à essence, gazoil.. • ou externemoteur à combustion externe (turbine à vapeur, moteur de Stirling, machines réceptrices,…) TC QC TF QF • Machines à vapeur • Moteurs à combustion interne (essence ou diesel) • Turbines à Gaz • Centrales thermiques ou nucléaires (production d'électricité) Transfer de chaleur contraire au sense naturel • Machines frigorifiques • Pompes à chaleur MOTEURS THERMIQUES Chaleurtravail nette MACHINES DE TRANSFERT DE CHALEUR TravailChaleur Classification des machines thermiques 5 Master GREEN BEE , A. Outzourhit TC TC TF Machine dynamo-thermique (réceptrice) Machine thermo-dynamique (machine motrice) QF QC TC TF QF QC Sont régis par le premier et le 2eme principe de la thermodynamique Rappels: 1er principe de la thermodynamique 1. Système Fermé (pas d’échange de matière) Q W E    P C E E U E    Q W dE     Q W dU     avec E énergie totale du système • W et Q : travail et chaleur échangés avec l’extérieur (à travers les parois du système). • U représente l’énergie interne du système. • Ec énergie cinétique macroscopique du système • Ep énergie potentielle macroscopique Pour une transformation élémentaire conduisant le système fermé d’un état où son énergie totale est E à un autre état voisin dont l’énergie est E + dE, on peut écrire : • Si transformation se déroule sans variation d’énergie cinétique ou potentielle, le premier principe s’exprime par l’égalité : • Conservation de l’énergie 2. Système ouvert Echanges d’énergie (sous forme de travail et sous forme de chaleur) et de matière Système aussi appelé volume de control Lois de conservation pour les systèmes ouverts : a. Loi de conservation de la masse :     s e o m m dt dm   où m0 est la masse du système ouvert (V. de control) e: sortant, s: entrant. b. Loi de conservation de l’énergie : L’expression du premier principe pour les systèmes ouverts est (Bilan) : W Q gz v h m gz v h m dt dE s s e e                     ) 2 ( ) 2 ( 2 2 1er principe de la thermodynamique h enthalpie spécifique (j/kg) au lieu de u!! Pourquoi? (rappelle H= U+pV, h=H/m, v=V/m) On utilise l’enthalpie dans ce bilan à cause du travail d’insertion peVe (pour chaque entrée ) et d’extraction - psVs pour chaque sortie ) dt dm m   débit massique Les systèmes ouverts en régime permanent • Le régime permanent (RP, d/dt =0) permet de décrire le fonctionnement de bon nombre de dispositifs comme les compresseurs, turbines, vannes, tuyères, échangeurs de chaleur: Conservation de la masse (débit) : Conservation de l'énergie: h: enthalpie massique Cas particulier d’une seule entrée et d’une seule sortie : où q et w sont la chaleur et le travail échangés par unité de masse (chaleur et le travail spécifiques).    s s e e m m   W Q gz v h m gz v h m e e s s              ) 2 ( ) 2 ( 2 2 m m m e s      w q gz v h gz v h e s        ) 2 ( ) 2 ( 2 2 q m Q   w m W   h : voir tables ou cp moyenne pour gaz parfait •ec négligeable : si Vout ≈ V in , ec peut être négligeable lorsque V out et V in sont petites, mais non négligeable lorsque Vout et Vin sont grandes • ep: seulement important s’il y a un changement de hauteur z important Exemples d’application: Tuyère, diffuseur, compresseur, turbine pompe,. w q e e h p c        Deuxième principe de la thermodynamique c e dS dS dS   0  c dS Dans une transformation élémentaire quelconque, la variation d’entropie d’un système est égale à la somme de la variation de l’entropie résultant des échanges avec l’extérieur et de l’entropie produite à l’intérieur du système. Le second principe s’exprime par la relation : dSc=0 pour une transformation réversible Second principe pour un système ouvert : Le taux de variation de l’entropie d’un système ouvert peut s’écrire sous la forme        c e e s s o S T Q s m s m dt dS           c e e s s S T Q s m s m     c e s S T Q s s m        ) ( Pour les systèmes ouverts en régime permanent: Cas particulier d’une seule entrée et d’une seule sortie : Pour une transformation adiabatique Une transformation adiabatique réversible est isentropique 0    m S s s c e s   Performance des machines thermiques F C Q Q W U      0 consommée énergie utile énergie th   Dans le cas d’une machine idéale (transformation cyclique) on a: Le rendement d’une machine thermique sur un cycle. 0  S W = Win +Wout Système fermé ) ( F C Q Q W    C F C th Q Q Q W    1  0 0   C F Q et Q Si le fluide circule en continu, lier le compresseur et la turbine par un même axe (turbine à gaz) Rendement thermique d’un Moteur W = Win +Wout < 0 c th Q W consommée énergie utile énergie     0   F F c c T Q T Q c F c F T T Q Q   c F c F T T Q Q    1 1 C F F c c S T Q T Q S       0 2eme principe (Cycle): TC TF QF QC TC TF QF QC 1 F th C T T   Cycles frigoriﬁques 0  c Q 0  W et QF 0    F C Q Q W F C F C F F th Q Q Q Q Q W Q / 1 1         IL refroidit l’extérieur • la détente en soupape est un moyen simple de faire chuter la température (pas besoin de travail) 2eme principe (Cycle): C F F c c S T Q T Q S       0 Les réfrigérateurs et climatiseurs: refoule à l’extérieur la chaleur prélevée à l’intérieur • Dans une machine frigorifique à compression de vapeur simple: Détende d’ un fluide, sa température baisse peut capter de la chaleur d’un corps qui était initialement « plus froid » que le uploads/Industriel/ convertion-thermomechaniqueff.pdf