HPC

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Conservatoire national des arts et métiersChaire
de turbomachines et moteurs www.cnam.fr/turbomach
ines-moteurs

Cours de cogénération G. Descombes
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Thermodynamique desmachines thermiques

• Concept de production
• dénergie motrice

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Sommaire

• 1 Introduction
• 2 Concept et paradoxe de Carnot
• 3 Modélisation dun cycle ditherme
• 3 Bibliographie

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• 1 Introduction

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Contexte rétrospectif

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

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Moteurs C0 code 14941

• 2 Concept de production dénergie motrice

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Conversion dénergie

• Point de vue thermodynamique
• Point de vue aérodynamique
• Point de vue thermochimique

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Transmission de chaleur

• Transport dénergie thermique au travers dune
  paroi diathermique
• Transfert de lénergie cinétique des molécules de
  la face chaude vers les molécules de la face
  froide.

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Transmission de chaleur
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Transmission de chaleur

• La paroi métallique reçoit et cède les quantités
  de chaleur transmises.
• Ce transport dénergie cinétique moléculaire
  résulte de la conductibilité thermique.

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Transmission de chaleur
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Transmission de chaleur

• Ce transfert d énergie cinétique tend vers un
  état déquilibre lorsque les chocs moléculaires
  tendent vers une répartition homogène de
  lénergie cinétique moyenne par lintermédiaire
  des molécules de la paroi métallique.

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Transmission de chaleur

• Un corps matériel qui se refroidit peut donner
  naissance à un champ électro magnétique qui
  emporte léquivalent de lénergie cinétique
  moléculaire cédée par le corps qui rayonne.

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Concept de machine ditherme

• Le mouvement spontané de lénergie cinétique
  moléculaire seffectue des points chauds vers les
  points froids.
• La conversion dénergie thermique en énergie
  mécanique ne peut être réalisée au sein dun
  moteur thermique que sil est placé entre deux
  thermostats à des niveaux distincts de
  températures.

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Concept de machine ditherme

• Une fraction de lénergie thermique est
  inéluctablement reçue par le thermostat
  récepteur.
• Si le circuit récepteur ne recevait rien,
  lécoulement spontané nexisterait plus.

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Concept de machine ditherme

• Il est donc indispensable quun 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.

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Concept de Carnot

• La caractérisation dun échange thermique impose
  de fixer le niveau de quantité de chaleur
  échangée et de température auquel il se produit.
• Le moteur de Carnot est placé entre une source et
  un puits. Il fonctionne selon un cycle qui nest
  le siège daucune irréversibilité.

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Moteur de Carnot
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Concept de Carnot

• Ce cycle réversible est constitué de 2 isothermes
  et de 2 isentropes.
• Son rendement sexprime en fonction des niveaux
  de températures T et T0 de la source et du puits.

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Concept de Carnot
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Concept de Carnot
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Concept de Carnot

• Lénergie thermique EnEn(T) est prélevée de
  manière isotherme à la source émettrice.
• Lexergie ExEx(T,T0) associée à la quantité de
  chaleur En(T) identifie la fraction maximale de
  l énergie thermique transformable en travail
  mécanique.

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Concept de Carnot

• Lanergie AnAn(T0) constitue le terme de chaleur
  intrinsèquement non mécanisable qui est rejeté au
  puits entropique.

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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.

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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.

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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.

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PARADOXE DE CARNOT

• Pas dirréversibilités
• 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 dun point chaud vers un point froid.
• Contradiction

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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.

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Irréversibilités

• Irréversibilités, concept de dégradation
  dénergie mécanisable.

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

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IRREVERSIBILITES

• Le mouvement dun système matériel engendre une
  dissipation inéluctable d énergie utilisable en
  chaleur.
• La vitesse relative des corps en contact est
  réduite par leffet résistant qui soppose au
  mouvement.

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IRREVERSIBILITES

• Cette dégradation dénergie est générée par les
  contraintes résistantes entre les corps en
  contact et les déformations qui en résultent.

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IRREVERSIBILITES
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IRREVERSIBILITES

• Tenseur des Tenseur Tenseur
• contraintes isotrope de viscosité

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IRREVERSIBILITES

• Tenseur des déformations

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IRREVERSIBILITES
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IRREVERSIBILITES
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IRREVERSIBILITES
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IRREVERSIBILITES

• Les contraintes et déformations générées par le
  mouvement dun système matériel absorbent de
  lénergie cinétique.
• Cette dissipation dénergie utilisable se traduit
  par un échauffement corrélatif des corps en
  contact mutuel.

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IRREVERSIBILITES
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IRREVERSIBILITES

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

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Moteurs C0 code 14941

• 3 Modélisation thermodynamique

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Modélisation dun cycle ditherme

• Étude thermodynamique à létat déquilibre.
• Le système est fermé et nest le siège daucune
  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.

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Modélisation dun 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.

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Conversion maximale dénergie
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Irréversibilités

• Conversion minorée dénergie chimique en travail
• Chimique réaction de combustion
• Thermodynamique écart de température
• Aérodynamique mouvement en milieu confiné
• Thermomécanique attelage mobile et distribution

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Cycle endoréversible

• Irréversibilités limitées aux transferts
  thermiques entre deux niveaux distincts de
  températures.

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Irréversibilités thermiques
51
Température entropique
52
Température entropique
53
Conversion réelle dénergie
54
Production dentropie
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Moteurs C0 code 14941

• 4 Bibliographie

56
Pour en savoir plus 1

• Transferts de masse et de chaleur dans les
  moteurs et récupération dénergie, Cours du Cnam,
  Descombes, G., Podevin, P., cycle ingénieur
  2002-2003.
• Proceedings on heat and mass transfers within
  thermal machines, Descombes, G., éditions du
  Cnam, 2000-2001.

57
Pour en savoir plus

• http//www.cnam.fr/bibliotheque
• http//www.cnam.fr/museum
• http//www.cnam.fr/ead
• http//www.sia.fr
• http//www.ccfa.fr
• http//www.wartsila.com

58
Pour en savoir plus

• http//www.cimac.com
• http//www.psa.com
• http//www.renault.fr
• http//www.sae.org
• http//www.asme.org
• http//www.techniques-ingenieur.fr
• http//www.gre.nasa.gov/www/tmsb/stirling