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MACHINES THERMIQUES : ENJEUX Energie massique disponible : Essence ou gasoil :

MACHINES THERMIQUES : ENJEUX Energie massique disponible : Essence ou gasoil : 43 MJ.kg-1 Charbon : 35 MJ.kg-1 Accumulateur (NiMh) : 0.4 MJ.kg-1 Pourquoi les carburants liquides : Facilité de transfert : plein d'essence en 30 s →600 km d'autonomie Charbon : transfert plus long, très salissant Electricité : temps de charge de l'ordre de 12 heures (pour certains accumulateurs, on arrive à descendre à 1 heure) →Autonomie < 200 km 2 types : - moteurs - réfrigérateurs, pompes à chaleur et climatiseurs I) Moteur But : on dispose au moins de 2 sources de chaleur (il peut y en avoir plus), à savoir une chaude et une froide (un moteur doit être refroidi...), on veut obtenir du travail mécanique. Rendement : ρ = Remarque : ρ est toujours < à 1 MACHINES THERMIQUES Travail mécanique récupéré par l'utilisateur Chaleur fournie par l'utilisateur II.1) Réfrigérateur ou climatiseur But : on dispose de sources de chaleur, et éventuellement d'une source d'énergie mécanique, et on voudrait refroidir un système. Efficacité : η = Remarque : η peut être < ou > à 1 II.2) Pompe à chaleur But : on dispose de sources de chaleur, et éventuellement d'une source d'énergie mécanique, et on voudrait chauffer un système . Efficacité : η = Remarque : η peut être (et doit être si l'on veut que le concept ait un sens) > à 1 MACHINES THERMIQUES Chaleur extraite du système à refroidir Energie fournie par l'utilisateur Chaleur fournie au système à chauffer Energie fournie par l'utilisateur Représentation d'un cycle de machine thermique V P A B C D Sens de parcours - Si le cycle est décrit dans le sens indirect, il s'agit d'un cycle de moteur, sinon il s'agit d'un cycle de réfrigérateur. Diagramme (P,V) : il appelé aussi diagramme de Clapeyron Propriétés : - L'aire du cycle représente le travail échangé au cours d'un cycle : W = -PdV ∫ Diagramme (T,S) Propriété : si le cycle est décrit de manière réversible, l'aire du cycle représente la chaleur totale reçu par le système. S T A B C D ∫ Réversible : δQ = TdS ⇒Q = δQ = TdS ∫ Inégalité de Carnot-Clausius, théorème de Carnot Hypothèse : machine thermique fonctionnant entre n sources de chaleur. Notations : Qi = chaleur donnée par la source i à la machine Ti = température de la source i Inégalité de Carnot-Clausius : Application : théorème de Carnot Hypothèse : moteur fonctionnant entre 2 sources de chaleur Résultat : le rendement maximal d'un moteur ditherme est le rendement de Carnot qui vaut : Qi Ti Σ i < 0 T1 T2 ρCarnot = 1 - (T1 < T2) Un cycle modèle : le cycle de Carnot Définition : c'est un cycle fonctionnant entre deux sources de chaleur de températures respectives T1 et T2 (on prendra T1<T2). Il est composé de 4 phases, 2 phases isothermes et 2 phases adiabatiques. V P A B C D S T A B C D T2 T1 Remarque : applicable à tout type de machines (moteur, réfrigérateur, pompe à chaleur...), si ce n'est qu'il n'existe pas de machine usuelle fonctionnant selon ce cycle... Propriété : le rendement de Carnot est le rendement maximal que l'on puisse avoir pour un moteur fonctionnant entre deux sources de chaleur de température T1 et T2. ρ = 1 - T1 T2 Moteurs à allumage commandé (1/3) Moteur 4 temps : Cycle : Beau de Rochas ou Otto Rendement théorique : ρ = 1 - (Vmin/Vmax)γ-1 Rendement réel : 25 à 30% Intérêt : léger, facile à fabriquer, souple d'emploi Application : Voiture de tourisme, moteur d'avion léger Moteurs à allumage commandé (2/3) Géométrie : 2 possibilités - Cylindres : solution classique bien maitrisée - Wankel : mouvement plus régulier, mais problème d'étanchéïté Moteurs à allumage commandé (3/3) Moteur 2 temps : Cycle : approximativement Lenoir Rendement : assez mauvais (faible taux de compression, expulsion d'une partie du carburant non brûlé) Intérêt : moteur très compact Applications : mobylettes, tondeuses à gazon, tronçonneuses... Moteurs DIESEL Architecture : similaire à celle du moteur 4 temps, allumage spontané du fait d'un taux de compression plus élevé (T atteint le point d'inflammation spontanée à la fin de la compression) Cycle : - Compression adiabatique - Injection de carburant isobare : V augmente, P maintenue constante grâce à l'élévation de chaleur du gaz due à la combustion - Détente adiabatique - Refroidissement isochore - Expulsion des gaz brulés isobare Rendement réel : entre 30 et 50% (meilleur que le moteur à essence ordinaire, lié au taux de compression élevé) Moteurs DIESEL Intérêt : bon rendement, possibilité de faire des moteurs très gros (bateaux, locomotives) Contraintes : moteur plus lourd (doit être plus solide du fait des taux de compression) Applications : voiture de tourisme, autobus, bateau, locomotive, groupes électrogènes. Impact écologique : - Meilleur au niveau émission de CO2 (meilleur rendement) - Mais : émission d'oxyde d'azote, de SO2 et de particules de carbone Solution : - Filtres (malheureusement pas obligatoire sur les petites voitures...) Turbines à gaz Cycle : Joule (compression adiabatique, détente isobare, détente adiabatique, expulsion des gaz brulés isobare) Rendement théorique : ρ = 1- 1/Γγ-1 (Γ : taux de compression) Rendement réel : 25 à 35%, mais possibilité de récupérer la chaleur des gaz expulsés et l'utiliser pour une turbine à vapeur pour obtenir un rendement combiné pouvant aller jusqu'à 60% Turbines à gaz Intérêt : - Puissance très élevée pour une machine de masse faible - Possibilité de récupérer la chaleur des gaz expulsés et l'utiliser pour une turbine à vapeur pour obtenir un rendement combiné pouvant aller jusqu'à 60% Applications : centrales électriques, hélicoptères, locomotives (avec transmission électrique), réacteurs d'avion Contraintes : Régime de bon fonctionnement assez pointu (incompatible avec les applications automobiles) MOTEUR DE STIRLING (TP disponible ici) Moteur de Stirling : aussi appelé "moteur à air chaud" (date de 1816) Cycle : 2 isochores et 2 isothermes Intérêt : - Fonctionne avec une source de chaleur continue - Très bon rendement théorique, identique à celui de Carnot - Machine pouvant fonctionner en inverse (réfrigérateur) 0 25 50 75 100 125 1.0 1.5 2.0 2.5 Pression (bar) Volume (cm 3) V P Cycle réel Cycle théorique ρ = 1 - T1/T2 MOTEUR DE STIRLING A l'étude : centrale solaire thermique - Rendement : faible (3 à 5%, lié à la faible température du point chaud, à comparer au rendement des cellulles photovoltaïques) - Possibilité de fonctionner en continu (y compris la nuit) en utilisant une "réserve de calories" : stockage d'énergie en utilisant un changement de phase solide- liquide Application : marginal pour l'instant (démonstrateur TP, modèlisme...) Turbines à vapeur Cycle : Rankine ou Hirn (similaire aux locomotives à vapeur) Rendement réel : juqu'à 40 %. Moteurs thermiques : conclusion Nombreux types de moteurs : choix dépend de l'application. Rendements : - Rendements réels loin des rendements théoriques - Rendements suffisants pour assurer une autonomie très supérieure aux autres solutions - Améliorations? Outils : thermodynamique, mais aussi mécanique des fluides et matériaux. Comparaison avec moteur électrique - Rendement entre 90 et 95% pour le moteur électrique - Mais, problème de stockage de l'énergie électrique : poids des batteries et temps de recharge très important Diagramme de Mollier Définition : diagramme lnPS (PS : pression de vapeur saturante) en fonction de l'enthalpie h C'est en fait une table de données sur laquelle on a tracé les isochores, isentropiques et isothermes. Applications : machines avec changement de phase telles turbines à vapeur ou réfrigérateurs Remarque : on utilise aussi le terme diagramme de Mollier pour d'autres type de diagrammes : - Les diagrammes (H, S) - Les diagrammes taux d'humidité de l'air en fonction de T Diagramme de Mollier R134 : CH3CH2F Diagramme de Mollier R718 : eau (H2O) Diagramme (T,S) usuel Diagramme enthalpie en fonction de l'entropie Réfrigération : enjeux Applications : - Conservation des aliments - Climatisation - Recherche Consommation énergétique : - Réfrigération : consommation moyenne d'un réfrigérateur = 360kWh/an, soit une Pmoy = 40 W 30 millions de réfrigérateurs = 1.2 GW! - Pompe à chaleur : diminution de la consommation d'énergie primaire pour le chauffage. Problèmes annexes : pollution liée aux fluides réfrigérants (CFC, gaz à effet de serre) Réfrigération : machine à compresseur Cycle : Rankine Intérêt : très bonne efficacité (jusqu'à 8!) T P GAZ T2 SOLIDE T1 LIQUIDE V P Liquide Gaz Equilibre Liquide-Gaz Isotherme T1 T3>T2 T2>T1 P1 P2 Réfrigération : machine à compresseur Fluides employés pour la réfrigération ODP : Ozone Depletion Potential (valeur de référence : 1 pour R11) GWP : Global Warming Potential (valeur de référence : 1 pour CO2) Tb : température d'ébullition pour une pression de 1atm TC : température d'ébullition pour la pression PC Fluides employés pour la réfrigération Fluides interdit par le Protocole de Montréal (1994) : il s'agit essentiellement de deux CFC, le R11 et le R12 (remarque : R22 et le R502 sont bannis à partir de 2014). Applications : R11 : groupes refroidisseurs uploads/Industriel/ thermo-machine.pdf