Conservatoire national des arts et métiers Chaire de turbomachines et moteurs www.cnam.fr/turbomachines-moteurs

1. Conservatoire national des arts et métiersChaire de turbomachines et moteurswww.cnam.fr/turbomachines-moteurs Cours de cogénération G. Descombes

2. Thermodynamique desmachines thermiques Concept de production d’énergie motrice

3. Sommaire • 1 Introduction • 2 Concept et paradoxe de Carnot • 3 Modélisation d’un cycle ditherme • 3 Bibliographie

4. 1 Introduction

5. Contexte rétrospectif • Carnot (1796-1832). • Beau de Rochas (1815-1893). • Diesel (1858-1913).

6. Moteurs C0 code 14941 2 Concept de production d’énergie motrice

7. Conversion d’énergie • Point de vue thermodynamique • Point de vue aérodynamique • Point de vue thermochimique

8. Transmission de chaleur Transport d’énergie thermique au travers d’une paroi diathermique • Transfert de l’énergie cinétique des molécules de la face chaude vers les molécules de la face froide.

9. Transmission de chaleur

10. Transmission de chaleur • La paroi métallique reçoit et cède les quantités de chaleur transmises. • Ce transport d’énergie cinétique moléculaire résulte de la conductibilité thermique.

11. Transmission de chaleur

12. Transmission de chaleur • Ce transfert d ’énergie cinétique tend vers un état d’équilibre lorsque les chocs moléculaires tendent vers une répartition homogène de l’énergie cinétique moyenne par l’intermédiaire des molécules de la paroi métallique.

13. Transmission de chaleur • Un corps matériel qui se refroidit peut donner naissance à un champ électro magnétique qui emporte l’équivalent de l’énergie cinétique moléculaire cédée par le corps qui rayonne.

14. Concept de machine ditherme • Le mouvement spontané de l’énergie cinétique moléculaire s’effectue des points chauds vers les points froids. • La conversion d’énergie thermique en énergie mécanique ne peut être réalisée au sein d’un moteur thermique que s’il est placé entre deux thermostats à des niveaux distincts de températures.

15. Concept de machine ditherme • Une fraction de l’énergie thermique est inéluctablement reçue par le thermostat récepteur. • Si le circuit récepteur ne recevait rien, l’écoulement spontané n’existerait plus.

16. Concept de machine ditherme Il est donc indispensable qu’un moteur thermique soit placé entre une source et un puits à des niveaux distincts de température pour obtenir une conversion partielle de chaleur en travail.

17. Concept de Carnot • La caractérisation d’un échange thermique impose de fixer le niveau de quantité de chaleur échangée etde température auquel il se produit. • Le moteur de Carnot est placé entre une source et un puits. Il fonctionne selon un cycle qui n’est le siège d’aucune irréversibilité.

18. Moteur de Carnot

19. Concept de Carnot • Ce cycle réversible est constitué de 2 isothermes et de 2 isentropes. • Son rendement s’exprime en fonction des niveaux de températures T et T0 de la source et du puits.

20. Concept de Carnot

21. Concept de Carnot

22. Concept de Carnot • L’énergie thermique En=En(T) est prélevée de manière isotherme à la source émettrice. • L’exergie Ex=Ex(T,T0) associée à la quantité de chaleur En(T) identifie la fraction maximale de l ’énergie thermique transformable en travail mécanique.

23. Concept de Carnot • L’anergie An=An(T0) constitue le terme de chaleur intrinsèquement non mécanisable qui est rejeté au puits entropique.

24. Concept de Carnot • Le cycle réversible de Carnot prélève à la source émettrice une énergie thermique En selon une isotherme à T. • Il restitue un courant d ’exergie Ex qui correspond à la production maximale d ’énergie mécanique récupérable Warbre sur le vilebrequin.

25. Concept de Carnot • Il rejette une anergie An qui représente la fraction inéluctablement restituée au puits récepteur au niveau de température T0 selon une isotherme.

26. PARADOXE DE CARNOT Concept de cycle réversible de Carnot • Réversibilité des échanges thermiques à la source chaude et au puits froid. • Concept de thermodynamique à l'état d'équilibre.

27. PARADOXE DE CARNOT • Pas d’irréversibilités • Gradients thermiques nuls entre la source émettrice, le fluide élastique et le puits récepteur. • Lois de transmission de chaleur • Écart de température nécessaire au transfert de chaleur d’un point chaud vers un point froid. • Contradiction

28. PARADOXE DE CARNOT Imaginons un écart infime de température afin de minimiser les irréversibilités thermiques. • Cette hypothèse entraîne un temps de fonctionnement qui tend vers l'infini. • La puissance motrice délivrée tend alors vers zéro.

29. Irréversibilités • Irréversibilités, concept de dégradation d’énergie mécanisable.

30. CYCLE ENDOREVERSIBLE Irréversibilités limitées aux transferts thermiques entre deux niveaux distincts de températures.

31. CYCLE ENDOREVERSIBLE

32. Irréversibilités thermiques

33. IRREVERSIBILITES • Le mouvement d’un système matériel engendre une dissipation inéluctable d ’énergie utilisable en chaleur. • La vitesse relative des corps en contact est réduite par l’effet résistant qui s’oppose au mouvement.

34. IRREVERSIBILITES • Cette dégradation d’énergie est générée par les contraintes résistantes entre les corps en contact et les déformations qui en résultent.

35. IRREVERSIBILITES

36. IRREVERSIBILITES Tenseur des Tenseur Tenseur contraintes isotrope de viscosité

37. IRREVERSIBILITES • Tenseur des déformations

38. IRREVERSIBILITES

39. IRREVERSIBILITES

40. IRREVERSIBILITES

41. IRREVERSIBILITES • Les contraintes et déformations générées par le mouvement d’un système matériel absorbent de l’énergie cinétique. • Cette dissipation d’énergie utilisable se traduit par un échauffement corrélatif des corps en contact mutuel.

42. IRREVERSIBILITES

43. IRREVERSIBILITES Le déficit de quantité de mouvement qui résulte des irréversibilités entraîne une baisse de pression génératrice du fluide.

44. Moteurs C0 code 14941 3 Modélisation thermodynamique

45. Modélisation d’un cycle ditherme • Étude thermodynamique à l’état d’équilibre. • Le système est fermé et n’est le siège d’aucune réaction chimique. • Les effets aéroacoustiques ne sont pas pris en compte. • Le schéma de modélisation est limité aux transformations d'énergie cinétique moléculaire en travail mécanique.

46. Modélisation d’un cycle ditherme • Le moteur est à combustion externe (moteur à gaz chaud). • Il échange de la chaleur avec une source émettrice et un puits récepteur. • Au cours du cycle fermé, le fluide élastique interagit avec la source et le puits, une énergie mécanique étant simultanément produite.

47. Conversion maximale d’énergie

48. Irréversibilités Conversion minorée d’énergie chimique en travail • Chimique: réaction de combustion • Thermodynamique: écart de température • Aérodynamique: mouvement en milieu confiné • Thermomécanique: attelage mobile et distribution

49. Cycle endoréversible Irréversibilités limitées aux transferts thermiques entre deux niveaux distincts de températures.

50. Irréversibilités thermiques