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I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie COU

I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie COURS DE THERMODYNAMIQUE 2 eme Semestre Olivier PERROT 2010-2011 1 Avertissement : Ce cours de thermodynamique pr´ esente quelques applications aux ma- chines thermiques des deux premiers principes de la thermodynamique. La pr´ esentation des ces applications reﬂ` ete grossi` erement la chronologie de l’his- toire industrielle. Elle correspond ´ egalement ` a l’´ evolution (complexit´ e) de ces machines. En cons´ equence les chapitres ne sont pas ´ equilibr´ es : nous n’abor- dons dans ce document que les machines dont la description ` a l’aide des cycles thermodynamiques ´ el´ ementaires reste signiﬁcative. Cette pr´ esentation r´ esulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont la plupart ne sont pas cit´ es dans la bibliographie. En particulier, je me suis largement inspir´ e du polycopi´ e du professeur R. Houdart, ainsi que des nombreux do- cuments accessibles en ligne. 2 Bibliographie : 1. G. BRUHAT, Thermodynamique, Edition Masson 2. J.P.LONCHAMP, Thermodynamique et introduction ` a la physique statistique, Edition Eyrolles 3. J.M.SMITH et H.C. VAN HESS, Introduction to chemical engineering thermodynamics, Edition Mc Graw-Hill 4. J.C. SISSI, Principes de thermodynamique, Edition Mc Graw- Hill 5. R. VICHNIEVSKY, Thermodynamique appliqu´ ee aux machi- nes, Edition Masson 6. C. LHUILLIER, J. ROUS, Introduction ` a la thermodyna- mique, Edition Dunod 7. F. REIF, Physique statistique, Edition Armand Colin 8. H. GUENOCHE, C. SEDES, Thermodynamique appliqu´ ee, Edition Masson 9. H.LUMBROSO, Thermodynamique , 100 exercices et probl` emes r´ esolus, Edition Mc Graw-Hill 10. J.L. QUEYREL, J. MESPLEDE, Pr´ ecis de physique, ther- modynamique, cours et exercices r´ esolus, Edition R´ eal 11. A. MOUSSA, P. PONSONNET, Exercices de themodyna- mique, Edition Andr´ e Desvigne 3 Table des mati` eres 1 G´ en´ eralit´ es sur les machines thermiques 7 1.1 Les machines alternatives ` a combustion externe . . . . . . . . 7 1.2 Les machines alternatives ` a combustion interne . . . . . . . . 8 1.3 Turbines ` a combustion externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Turbines ` a combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Moteurs ` a combustion interne 11 2.1 Cycle de Lenoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Calcul des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Cycle de Beau de Rochas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Cycle de Beau de Rochas : description . . . . . . . . . 17 2.2.3 Calcul des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.4 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 Cycle de Beau de Rochas ` a longue d´ etente . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.2 Calcul des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4 Cycle ` a admission partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Cycle di´ esel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.2 Calcul des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.3 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3 Moteurs ` a combustion externe 35 3.1 Le moteur de Stirling : cycle th´ eorique . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Moteur de Stirling : cycle exp´ erimental . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.1 ´ Etude cin´ ematique ` a 1 piston . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.2 Cin´ ematique ` a 2 pistons . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 TABLE DES MATI` ERES 3.2.3 ´ Etude thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.4 Application num´ erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.5 Comparaison avec le cycle de Stirling th´ eorique . . . . 45 3.2.6 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Turbines ` a vapeur 48 4.1 Le 1 er principe : syst` emes ouverts stationnaires . . . . . . . . 48 4.2 Turbines ` a vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2.1 Cycle th´ eorique d’une machine ` a vapeur : cycle de Ran- kine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 Cycle de Rankine : bilan ´ energ´ etique . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Cycle de Hirn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.5 Cycle de Hirn avec resurchauﬀe . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.6 Cycle avec soutirage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.7 Le cycle supercritique ` a vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.8 La cog´ en´ eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.9 Bilan exerg´ etique d’un syst` eme ditherme . . . . . . . . . . . . 63 4.10 Rendement exerg´ etique du moteur thermique . . . . . . . . . . 65 4.11 Rendement exerg´ etique d’une turbine . . . . . . . . . . . . . . 66 4.12 Variation d’exergie d’un syst` eme avec l’ext´ erieur : fonction ´ energie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.13 Fonction enthalpie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.14 Rendement exerg´ etique du moteur thermique . . . . . . . . . . 70 4.15 Rendement exerg´ etique d’une pompe ` a chaleur . . . . . . . . . 72 4.16 Rendement exerg´ etique d’une installation de cog´ en´ eration . . . 74 5 Table des ﬁgures 2.1 Cycle de Lenoir . uploads/Industriel/ thermo-machines.pdf