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Machines thermiques Eléments de cours 1 289 Olivier Bonnefoy (bonnefoy@emse.fr)

Machines thermiques Eléments de cours 1 289 Olivier Bonnefoy (bonnefoy@emse.fr) Année 2014-15 Sommaire 1. Introduction aux machines thermiques 1. Cycles réversibles, cycles réels 2. Rappels de thermodynamique, diagrammes thermodynamiques 2. Rappels de thermodynamique, diagrammes thermodynamiques 2. Moteurs thermiques rotatifs (turbomachines) 1. Turbines et pompes hydrauliques 2. Turbine à vapeur et centrale thermique à flamme 3. Turbine à gaz et turbomoteurs/réacteurs 3. Moteurs thermiques alternatifs 1. Moteurs à combustion externe : moteur de Stirling 2. Moteurs à combustion interne 2 289 1. Moteur à Allumage Commandé (moteur essence) 2. Moteur à Allumage par Compression (moteur Diesel) 4. Machines de transfert de chaleur 1. Pompe à chaleur 2. Machines frigorifiques Sommaire 5. Echangeurs de chaleur monophasiques 1. Quelques exemples d’échangeurs 2. Approche locale : équations fondamentales de transferts 2. Approche locale : équations fondamentales de transferts 3. Approche globale : dimensionnement d’échangeurs 4. Efficacité des échangeurs 6. Générateurs de vapeur Brève introduction aux écoulements diphasiques G/L 7. Une aide à la conception : l’analyse exergétique 1. Définition qualitative de l’exergie 2. Bilan exergétique 3 289 3. Rendements exergétique Unité n° 1 Introduction aux machines thermiques 4 289 Exemples de machines thermiques Turboréacteur Injecteur Moteur à essence Moteur diesel Flamme Moteur rotatif Turbine à gaz Tuyère d’éjection Turboréacteur 5 289 Turbine à gaz Moteur diesel Turbine à vapeur Arc électrique Tige et piston Définition Machine thermique = Convertisseur Puissance thermique Puissance mécanique ↔ ↔ 6 289 MACHINES DE TRANSFERT DE CHALEUR Les deux catégories MOTEURS THERMIQUES Chaleur HT →Travail + chaleur BT MACHINES THERMIQUES DE CHALEUR Travail BT + chaleur →Chaleur HT Chaleur HT →Travail + chaleur BT Rendement < 1 : 7 289 Coefficient de performance > 1 : •les machines frigorifiques (à compression ou à absorption) •les pompes à chaleur •des machines à vapeur (locomotives, ...) •des moteurs à combustion (essence ou diesel) •des centrales thermiques ou nucléaires (production d'électricité) Les moteurs thermiques en deux mots Energie thermique + environnement froid Gradient de température Gradient de masse volumique Gradient de pression Mouvement de fluide 8 289 Mouvement de fluide Prélèvement d’énergie utile (mécanique) Machines thermiques car flux de chaleur. • machines monothermes (une seule source) : n’existe pas (car pas de flux) • machines dithermes (deux sources de chaleur) : le plus courant • machines trithermes (trois sources de chaleur) : rare Vue générale • machines trithermes (trois sources de chaleur) : rare T Q Pompe à chaleur Moteur thermique Machine frigorifique Machine tritherme Chaud 9 289 Q2 Q1 W Environ- nement W W Q2 Q1 Q2 Q1 W Q2 Q1 Q’2 Q’1 frigorifique Froid Modes de combustion COMBUSTION INTERNE COMBUSTION EXTERNE MOTEURS THERMIQUES COMBUSTION INTERNE Combustion du fluide qui se détend. Le système est renouvelé à chaque cycle (circuit ouvert). Il est en contact avec une seule source de chaleur (l’atm). COMBUSTION EXTERNE Source de chaleur et fluide qui se détend sont séparés par une paroi conductrice. Le système (l’air ou l’eau) n’est pas renouvelé; il est recyclé (circuit fermé). Il y a deux sources de chaleur. Turbine à gaz Moteur alternatif Moteur rotatif Turbine à vapeur Moteur à air chaud (= à pistons) Wankel 10 289 (= à pistons) Wankel Moteur à Allumage Commandé Moteur à allumage par compression (essence) (gazole) Injection directe Injection indirecte Le point de vue du fluide Il subit plusieurs transformations : chauffage isobare, détente isentropique, compression adiabatique, … La succession des transformations forme un cycle qui peut être : Chaudière La succession des transformations forme un cycle qui peut être : • fermé pour une machine à combustion externe. Dans ce cas, l’état final est strictement le même que l’état initial. Exemple : eau du circuit primaire d’une centrale nucléaire. • ouvert pour une machine à combustion interne. Dans ce cas, on feinte en assimilant le fluide à l’air (‘Air Standard cycle analysis’) i.e. la combustion se traduit par un apport de chaleur pur (pas de changement dans la composition chimique). En d’autres termes, on néglige la masse et l’enthalpie du Chaudière Turbine Condenseur Pompe 11 289 composition chimique). En d’autres termes, on néglige la masse et l’enthalpie du combustible devant celles du fluide circulant. Exemple : turbine d’avion Chambre de combustion Turbine Compresseur Air (kérosène) Air (+ brûlés ) Les cycles réversibles 12 289 Soient deux sources de chaleur (températures constantes T2>T1 quels que soient les flux de chaleur) avec lesquelles le fluide échange Le cycle de meilleur rendement est réversible [ ] 1 ; 0 2 ∈ − = Q W η Rendement énergétique avec lesquelles le fluide échange de la chaleur. U fonction d’état : et 1er principe : d’où : S fonction d’état : et définitions : et : Par conséquent, le rendement est : 2 Q 2 1 1 Q Q − − = η 0 = ∆U 0 = ∆S 2 1 Q Q W U + + = ∆ 2 2 1 1 T Q T Q Séchange + = ∆ création S Q T T T ∆ − − = . 1 1 1 η création échange S S S ∆ + ∆ = ∆ 13 289 Par conséquent, le rendement est : 2ème principe : d’où : Conclusion : le rendement d’un cycle est maximum lorsque les transformations subies par le fluide sont (toutes) réversibles. Le rendement est alors égal à ηmax < 1 : seule une fraction du flux de chaleur (s’écoulant de la source chaude vers la source froide) peut être convertie en travail. Tous les cycles réversibles ont le même rendement ηmax . création Q T 2 2 0 ≥ ∆ création S 1 1 2 1 max < − = ≤ T T η η Définition d’une transformation réversible : transformation qui peut être décrite en sens inverse, de sorte qu’après avoir été décrite successivement dans les deux sens, tant le système considéré que le milieu extérieur se retrouvent exactement dans le même état qu’initialement. Pour qu’il en soit ainsi, il faut qu’au cours de la transformation inverse, les variables d’état repassent Les transformations réversibles en soit ainsi, il faut qu’au cours de la transformation inverse, les variables d’état repassent exactement par les mêmes valeurs que lors de la transformation initiale et que les échanges d’énergie avec le milieu extérieur soient exactement opposés à ceux effectués lors de la transformation initiale. Exemples : • Compression (ou détente) infiniment lente : adiabatique, isotherme, isochore, … • Transfert de chaleur isotherme (ex : fusion, solidification, vaporisation, condensation, …) • Absorption (désorption) d’un gaz dans un liquide • Adsorption (désorption) d’un gaz sur un solide 14 289 Contre-exemples : • Compression (ou détente) rapide. Car rapide => turbulences => frottement visqueux => dégradation d’énergie en chaleur irréversible • Combustion • Fracture • Transfert de chaleur non-isotherme • Dissolution Soit deux sources de chaleur (températures T2 et T1 constantes). On note Q la quantité de chaleur allant de la source 2 vers la source 1. Lorsque T2>T1, on a Q>0. Zoom sur le transfert de chaleur T2 T1 Q Lors de ce transfert de chaleur, • L’entropie de la source 2 diminue : ∆S2= - Q/T2 • L’entropie de la source 1 augmente : ∆S1= Q/T1 La variation totale d’entropie au cours de cette transformation est : ∆S = ∆S1 + ∆S2 = Q. (1/T1 - 1/T2) 15 289 Par conséquent, le transfert de chaleur sera réversible (∆S = 0) si et seulement si T2 = T1 !!! Donner un exemple et un contre-exemple ! PS : le système « source1+source2 » étant fermé, on a ∆eS=0 et donc ∆iS=∆S. Exemple : vaporisation de l’eau liquide à pression constante (= complètement réversible) Contre-exemple : augmentation de température d’eau liquide (= irréversible par nature) Zoom sur le transfert de chaleur Question : comment minimiser l’irréversibilité dans ce cas ? Très irréversible Peu irréversible 80 T 80 T 16 289 20° C 20° C 80° C 80° C 20° C 20° C 60° C 60° C 40° C 40° C 80° C 80° C 20 20 Exemple : élever la température d’un corps par conduction : • En une étape : Tcold Thot • En deux étapes : Tcold T* Thot Zoom sur le transfert de chaleur e Matlab disponible 17 289 L’entropie créée est plus faible pour un échauffement en deux étapes. Généralisation : le chauffage isotherme est le plus réversible. Code Exemple de cycles réversibles Cycle de Carnot – Compression adiabatique infiniment lente – Apport de chaleur isotherme – Détente adiabatique infiniment lente – Retrait de chaleur isotherme Cycle d’Ericsson – Transformation isobare infiniment lente – Apport de chaleur isotherme – Transformation isobare infiniment lente – Retrait de chaleur isotherme 18 289 Cycle de Stirling – Compression isotherme infiniment lente – Chauffage isochore – Détente isotherme infiniment lente – Refroidissement isochore Tous les cycles réversibles ont le même rendement : chaud froid arnot C T T − ≡1 η Les cycles réels 19 289 Réel = irréversible Les irréversibilités internes traduisent l'impossibilité du système à évoluer de manière réversible. Les causes en sont : – les frottements. Ils sont responsables d'une uploads/Industriel/ machines-thermiques-emse.pdf