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1 Année universitaire : 2018/2019 UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI ECOLE NATIONALE D

1 Année universitaire : 2018/2019 UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES D’EL JADIDA Département : Sciences des Technologies Industrielles (STIN) Filière : Génie Energétique et Electrique (G2E) / Génie Industriel (GI) TD 5: Machines thermiques Problème I : Afin de produire une puissance nette de 125 MW, on envisage différents types de cycles. Pour ceux-ci, la pression au condenseur supposée invariable est de 0.05 bar. Les caractéristiques de la vapeur surchauffée à l’entrée de la turbine basse pression sont P = 30 bar et T= 540 °C. Le rendement mécanique (ηmec) vaut 0.998. On suppose que : - L’écoulement est permanent. - La variation d’énergie cinétique et potentielle est négligeable. - Les chutes de pressions dans les échangeurs de chaleur sont négligeables. Au premier lieu, on suppose un cycle de Rankine-Hirn où l’on suppose que la détente dans la turbine est caractérisée par un rendement isentropique ηsi = 0.88. 1. Dessiner un schéma représentatif du cycle, avec la nomination de ses différents composants, sachant que :  1 – 2 : compression isentropique  2 – 3 : échauffement et chauffage isobare.  3 – 4 : détente isentropique  4 – 1 : refroidissement isobare 2. Dessiner le cycle dans le diagramme (T,s). 3. Déterminer les caractéristiques (P,T,h,x,s) des quatre points du cycle en justifiant la valeur de chaque point. N.B : Le volume massique du fluide au niveau de l’étape 1-2 est de 0.001 m3/kg, 4. Calculer l’enthalpie réelle après détente (h4), le titre réel et l’entropie réelle. 5. Regrouper les valeurs des points (1-2-3-4-4s) dans un tableau. 6. Déterminer le travail moteur du cycle (Wt1). 7. Déterminer le rendement thermique (ηt1) du cycle et le débit massique (q1) de l’eau nécessaire pour cette installation. En gardant le même cycle avec une étape de resurchauffe pour lequel la pression à l’entrée de la turbine haute pression vaut 140 bars. Les valeurs des rendements isentropiques pour la turbine haute pression et basse pression sont ηsi,HP = 0.92 et ηsi,BP = 0.88, respectivement. 8. Dessiner un schéma représentatif du cycle, avec la nomination du nouveau composant. (Garder la même numérotation du cycle précédent, et placer le nouveau composant entre les numéros 5 et 6) 9. Dessiner le cycle dans le diagramme (T,s). 2 Année universitaire : 2018/2019 UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES D’EL JADIDA Département : Sciences des Technologies Industrielles (STIN) Filière : Génie Energétique et Electrique (G2E) / Génie Industriel (GI) 10. Déterminer les caractéristiques (P,T,h,x,s) des six points du cycle en justifiant la valeur de chaque point. 11. Regrouper les valeurs des points (1-2-3-4-4s-5-6-6s) dans un tableau. 12. Déterminer le travail moteur du cycle (Wt2), le rendement thermique (ηt2) et le débit massique (q2) de l’eau nécessaire pour cette installation. Le premier cycle va subir un seul soutirage à 3 bars. 13. Quel est le principe de l’opération du soutirage ? 14. Dessiner un schéma représentatif du cycle, avec la nomination des nouveaux composants. (Garder la même numérotation du cycle précédent) 15. Dessiner le cycle dans le diagramme (T,s). 16. Déterminer les caractéristiques (P,T,h,x,s) des différents points du cycle en justifiant la valeur de chaque point. 17. Regrouper les valeurs des différents points dans un tableau. 18. Déterminer le travail moteur du cycle (Wt3), le rendement thermique (ηt3) et le débit massique (q3) de l’eau nécessaire pour cette installation. 19. Comparer les rendements thermiques des 3 cycles. commenter Problème II : Moteur Alternatif à Combustion Interne Le cycle de Atkinson a été inventé par James Atkinson en 1882 afin de contourner le Brevet de l’ingénieur Otto qui a permis le développement des moteurs alternatif à combustion interne basés sur le cycle de Beau de Rochas. James Atkinson a proposé un moteur rotatif dont la conception est beaucoup plus compliquée que le classique cylindre – piston mu par un système bielle-manivelle, mais qui permet de réaliser un cycle dont le rendement est meilleur que le cycle de Beau de Rochas. Par la suite, il a été possible, en changeant le système de distribution d’un moteur Piston – Cylindre, de réaliser un cycle d’Atkinson. Cette solution est utilisée aujourd’hui sur quelques moteurs (Ford, Toyota …). Le cycle d’Atkinson est représenté dans le diagramme Pression- Volume sur la figure 1. Pour un moteur 4 temps, la phase d’aspiration se produit à pression constante (0-1). Lorsque le piston remonte dans le cylindre, la soupape d’admission reste ouverte pendant une partie de la course du cylindre. La pression reste constante (1-2). La compression débute lorsque la soupape d’admission se ferme en 2. La compression est supposée isentropique (2-3). La combustion est supposée instantanée (3-4). La détente dure pendant toute la course du piston du point mort haut au point mort bas (4-5). Le cycle se termine par une détente isochore (5-1) puis par le refoulement (1-0). 3 Année universitaire : 2018/2019 UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES D’EL JADIDA Département : Sciences des Technologies Industrielles (STIN) Filière : Génie Energétique et Electrique (G2E) / Génie Industriel (GI) Figure 1: représentation du cycle d’Atkinson Par rapport au cycle de Beau de Rochas, l’énergie produite par cycle est plus faible car la quantité d’air admise est aussi plus faible. C’est un avantage à bas régime car cela permet d’avoir une modulation importante de la puissance. C’est un inconvénient car pour une puissance identique, le moteur fonctionnant avec le cycle d’Atkinson devra être surdimensionné. Afin de pallier à cet inconvénient, Ralph Miller, a proposé d’utiliser un compresseur pour admettre l’air sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Nous considérons un Moteur Alternatif à Combustion Interne de 4 cylindres 4 temps. - L’alésage des cylindres est : D = 8 cm, - Le rayon de la manivelle : r =4,5 cm - Le taux de compression volumétrique est égale à : ɛ= 10. L’étude se fera pour un cylindre uniquement. Les constantes thermophysiques utiles et les hypothèses de calcul sont données ci-dessous : - Pouvoir calorifique Inférieur du carburant : PCI = 42000 kJ/kg - Chaleur spécifique à pression constante de l’air considéré comme un gaz parfait : Cp = 1000 J/(kg.K) - Chaleur spécifique à volume constant de l’air considéré comme un gaz parfait : Cv = 713 J/(kg.K) - Proportion stœchiométriques : 1 kg de carburant pour 15 kg d’air - La richesse du mélange air/carburant aspiré est égale à 1. Le mélange est aspiré à la pression (1 bar) et température ambiantes (20 °C). - Le mélange air/carburant et les fumées se comportent comme un gaz parfait avec les propriétés de l’air. 4 Année universitaire : 2018/2019 UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES D’EL JADIDA Département : Sciences des Technologies Industrielles (STIN) Filière : Génie Energétique et Electrique (G2E) / Génie Industriel (GI) I. Etude du cycle Beau de Rochas 1. Représenter dans le diagramme Pression-Volume le cycle de Beau de Rochas. Calculer le volume mort la cylindrée .Indiquer les hypothèses des différentes transformations successives. 2. Calculer la masse de mélange aspiré ainsi que la masse de carburant présente dans le mélange 3. Calculer la pression et la température du fluide en fin de compression (point 2), fin de combustion (point 3) et fin de détente (point 4). 4. Calculer les quantités de travail et de chaleur échangées entre le fluide et le système piston cylindre au cours du cycle. 5. Calculer le rendement du cycle. 6. Regrouper les paramètres de chaque point du cycle dans un tableau (1). II. Etude du cycle d’Atkinson Les mêmes hypothèses sur les transformations pour le cycle de Beau de Rochas sont utilisées. En considérant V2=0,75*V1 : 7. Calculer la masse de mélange aspiré ainsi que la masse de carburant présente dans le mélange 8. Calculer les caractéristiques des points du cycle. 9. Calculer les quantités de travail et de chaleur échangées entre le fluide et le système piston cylindre au cours du cycle. 10. Calculer le rendement du cycle. 11. Regrouper les paramètres de chaque point du cycle dans un tableau (2). uploads/Industriel/ td-5 1 .pdf