Chapitre 4 : les cycles thermodynamiques moteurs

Premier et second principes, machines thermiques, équipements, cycles thermodynamiques, cycles des machines à vapeur et cycles complexes. 41 diapositives, une à la fois : les flèches les font défiler, le plan ci-dessous mène à chacune.

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Introduction

C. Voyant

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BUT Génie Biologique 2

Sciences de l'Aliment et Biotechnologie

PHYSIQUE INDUSTRIELLE · 2023/2024

Plan du chapitre

Introduction (12 diapositives)

C. Voyant
LES CYCLES THERMO-DYNAMIQUES MOTEURS
4
- Principes de la thermodynamique
Introduction
1ER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe de conservation
- Principes de la thermodynamiques
‘‘

Lors d’une transformation dans un système fermé, la variation d’énergie interne du système est égale à la quantité d’énergie échangée avec le milieu extérieur sous forme de chaleur et de travail

Sens d'évolution des systèmes, sens des réactions chimiques

Transfert spontané de la chaleur du chaud vers le froid

Irréversibilité de certaines transformations spontanées ou naturelles

’’ · ‘‘

Cette énergie ne dépend que de l'état initial et de l'état final

’’
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot)
- Principes de la thermodynamiques
‘‘ Toute transformation thermodynamique génère de l’entropie ’’

Déduit de faits expérimentaux,

Prévoir l'évolution des systèmes,

Transformations irréversibles.

Sadi CarnotPhysicien et ingénieur1796 - 1832

Émile CLAPEYRON · Rudolf CLAUSIUS · Lord KELVIN · Ludwig BOLTZMANN · Max PLANCK
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot) Exemple 1 : Voiture en mouvement Roue de voiture en mouvement freinée progressivement jusqu'à son arrêt Échauffement des freins et de la jante Jamais, on ne voit cette roue se mettre seule en mouvement : En absorbant la chaleur dégagée par le freinage En remontant la pente dans le sens inverse
- Principes de la thermodynamiques
Q
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot) Exemple 2 : Transfert spontané de la chaleur
- Principes de la thermodynamiques
Écoulement de la chaleur des HT → BT Transfert spontané et irréversible

Etat initial (1) · Cloison en place

Les molécules les plus agitées à gauche

Les molécules moins agitées à droite

Ordre où les molécules sont séparées → un état hors-équilibre

T2 > T1 · Transfert de chaleur
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot) Exemple 2 : Transfert spontané de la chaleur
- Principes de la thermodynamiques
Etat final (2) : Cloison enlevée

Les molécules plus chaudes diffusent vers la droite

Elles communiquent par chocs une partie de leur énergie aux

molécules plus froides

Atteinte d’un état d'équilibre, les deux régions sont à la même T^re

Les molécules ont en moyenne même énergie cinétique

Le système est caractérisé par un plus grand désordre.

T2 > T1 · Transfert de chaleur · Q
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot) Exemple 3 : Détente d’un gaz Écoulement brusque du gaz d'une HP → BP Détente spontanée et irréversible
- Principes de la thermodynamiques
Etat initial (1) · Hautement instable · Etat hors équilibre · Ordonné · HP BP

Détente irréversible d’un gaz(1) → (2)

Etat final (2) · Stable · Etat d’équilibre · Désordonné (Mélange homogène)
LES CYCLES THERMO-DYNAMIQUES MOTEURS
4
- Conséquences du second principe
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot) Le principe de Carnot peut également s’exprimer par :
- Conséquences du second principe
1

Si l'agent d'un moteur thermique n'est en relation qu'avec une seule source d'énergie calorifique, il ne peut pas fournir de travail.

2

Pour transformer de l'énergie calorifique en travail, l'agent d'un moteur thermique doit être en relation avec 2 sources à des températures différentes.

3

L'agent ne fournit du travail que s'il prend de l'énergie calorifique à la source "chaude" et s'il en rend à la source "froide".
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Principe d’évolution (Carnot)
- Conséquences du second principe
Source · Chaude · 1

Dans la turbine à vapeur, la chaudière est la source chaude et le condenseur la source froide.

2

Une transformation intégrale de chaleur en travail est impossible car l'agent du moteur thermique rend obligatoirement à la source froide une partie de l'énergie calorifique reçue de la source chaude (rendement).

3

L'énergie calorifique apparaît comme une énergie de qualité inférieure à l'énergie mécanique.

Qc · Qf · Source · Froide · W

2. Conséquences du second principe (5 diapositives)

2. Conséquences du second principe
2. Conséquences du second principe
2ÈME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE : Inégalité de Clausius - Carnot
- Conséquences du second principe
L’entropie S, grandeur extensive [J/K] = ‘‘ Mesure du degré de désordre d'un système ’’

(1) Sa variation lors d’une transformation réversible est égale à la quantité de chaleur apportée au système divisée par la température de ce même système.

(2) Si la transformation est irréversible, alors il y a une création d’entropie positive à cause des phénomènes dissipatifs (friction, diffusion, etc.).

(3) On déduit la fameuse inégalité de Clausius qui résume le 2^nd principe.

Transformationadiabatique réversible
LES CYCLES THERMO-DYNAMIQUES MOTEURS
4
- Cycles thermodynamiques
Equipements thermodynamiques

3. Cycles thermodynamiques (15 diapositives)

3. Cycles thermodynamiques
3. Cycles thermodynamiques
3. Cycles thermodynamiques
3. Cycles thermodynamiques
- 1. Cycle Carnot
2 isothermes, 2 isentropiques
- 2. Cycle de Joule (Brayton)
2 isobares, 2 isentropiques
3. Cycles thermodynamiques
- 3. Cycle de Stirling
2 isochores et de 2 isothermes.

?
- 4. Cycle de Ericsson
2 isobares et de 2 isothermes

?
3. Cycles thermodynamiques
- 5. Cycle de Beau de Rochas (Otto)
2 isentropiques, 2 isochores

Le fluide est l’essence

?
- 6. Cycle de Diesel
2 isentropiques, 1 isobare, 1 isochore

Le fluide est le gazole

?
3. Cycles thermodynamiques
- 1. Cycle de Carnot
Cycle ditherme (T1 et T2)

2 transformations isothermes · 2 transformations isentropes
- Q1 reçu à la température T1
- Q2 fourni à la température T2
- W total dans le système
3. Cycles thermodynamiques
- 1. Cycle de Carnot
L'énergie interne ne changeant pas au cours d'un cycle

On a d'après le premier principe avec

Efficacité d'un cycle
3. Cycles thermodynamiques
- 2. Cycle de Joule (des turbines à gaz)
Un compresseur + chambre de combustion + turbine.

1 → 2 Compression isentropique

2 → 3 Transformation isobare

3 → 4 Détente isentropique

4 → 1 Remise à l’équilibre
3. Cycles thermodynamiques
- 3. Cycle de Stirling
Moteur à combustion externe fonctionnant avec 2 sources de chaleur (ditherme),

Le fluide du système est en général de l’air,

Constitué de 2 isochores et de 2 isothermes.
3. Cycles thermodynamiques
- 4. Cycle de Ericsson
Constitué de 2 transformations isobares et de 2 transformations isothermes au cours desquelles ont lieu les échanges de chaleur.
3. Cycles thermodynamiques
- 5. Cycle de Beau de Rochas ou de Otto
Cycle des moteurs à allumage commandé,

La combustion de l'essence provoque l'augmentation de T,

Le seul échange de chaleur Q a lieu avec l'atmosphère,

Dans le cycle théorique, leurs effets s'annulent.

détente · compression · échappement · admission · compression · détente · admission · échappement
3. Cycles thermodynamiques
- 6. Cycle de Diesel
La compression 1 → 2 et la détente 3 → 4 sont isentropiques.

Le rapport volumétrique de compression > moteur à allumage commandé

Atteinte de la températures où le gazole s'enflamme spontanément.

T_{inflammabilité} du gazole < T_{inflammabilité} de l'essence.

Le carburant est injecté progressivement de telle façon que la combustion soit isobare.

allumage · détente · compression · échappement
3. Cycles thermodynamiques
Diagrammes P-V et T-S du cycle de Carnot
- 3. Bilan énergétique
Q_c · Tc · W⁺ · W⁺ · W_mot · Tf · Q_f

Calcul des puissances à partir

de la connaissance des valeurs

de l’enthalpie H du fluide

Q_c

Grandeur Cycle de Carnot
Qf HA-HB
Qc HD-HC
W+ HC-HB
Wmot HD-HA

W_mot · Q_f
LES CYCLES THERMO-DYNAMIQUES MOTEURS
4
- Cycles des machines à vapeur

4. Cycles des machines à vapeur (6 diapositives)

4. Cycles des machines à vapeur
4. Cycles des machines à vapeur
(1) Etat initial à p₁ ,T₁ et H₁

(1)➔(2) Compression adiabatique (pompe)
- 1. Cycle Organique de Rankine
3a

(3a) L’eau est parvenue aux conditions fixées pour la vaporisation

(3a)➔(3) Vaporisation dans le générateur, à P et T cstes

(4)➔(1) Retour aux conditions initiales, après condensation du reste de vapeur

(3)➔(4) Détente de la vapeur saturée en vapeur humide vers le condenseur

(2) L’eau est injectée dans le générateur de vapeur

(2)➔(3a) Réchauffement isobare dans le générateur à p₂
4. Cycles des machines à vapeur
- 2. Cycle de Hirn
4. Cycles des machines à vapeur
- 3. Bilan énergétique
Le rendement d’une machine sous ces cycles est le rapport entre l’énergie récupérée sous forme mécanique et l’énergie fournie pour la produire :

Le bilan d’opération en puissances est :

On néglige généralement la puissance fournie par la pompe d’alimentation dont la valeur est faible par rapport à la puissance mécanique produite.

On parvient ainsi à l’expression classique :
4. Cycles des machines à vapeur
- 3. Bilan énergétique
Calcul des puissances à partir de la

connaissance des valeurs de l’enthalpie du fluide

Grandeur Cycle de Hirn Cycle de Rankine
Wmoteur H6-H7 H4-H5
W+ H2-H1 H2-H1
Qc H6-H2 H4-H2
Qa H7-H1 H5-H1
LES CYCLES THERMO-DYNAMIQUES MOTEURS
4
- Cycles complexes

5. Cycles complexes (3 diapositives)

5. Cycles complexes
- 1. Cycles a resurchauffe
À partir d’une détente fractionnée : relever le niveau de température de la vapeur sèche avant de l’injecter à l’entrée de l’étage de détente suivante.
5. Cycles complexes
- 2. Cycles a régénération ou cycles a soutirages
Le cycle à régénération consiste à prélever de la chaleur au fluide moteur au cours de la détente et à la transmettre à ce même fluide dans sa montée en pression.

Il résulte de ce principe que le cycle de Rankine à régénération a un rendement thermodynamique proche de celui de Carnot.

Le cycle de Hirn lui ne permet la régénération qu’à partir de la pression de saturation, lors de la détente de la vapeur. La vapeur se détendant selon c ➔ d, cède une quantité de chaleur au liquide selon b ➔ a.

Aussi pratique-t-on couramment par soutirage de vapeur entre deux étages de détente. Il existe deux types principaux de soutirage :
- les soutirages avec mélangeage,
- les soutirages sans mélangeage.
5. Cycles complexes
- 2. Cycles a régénération ou cycles a soutirages

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Licence CC BY 4.0 : réutilisation libre, y compris modification et usage commercial, en citant l'auteur (Cyril Voyant).

Grandeur	Cycle de Carnot
Qf	HA-HB
Qc	HD-HC
W+	HC-HB
Wmot	HD-HA

Grandeur	Cycle de Hirn	Cycle de Rankine
Wmoteur	H6-H7	H4-H5
W+	H2-H1	H2-H1
Qc	H6-H2	H4-H2
Qa	H7-H1	H5-H1