Conservatoire national des arts et métiers Chaire de turbomachines et moteurs www.cnam.fr/turbomachines-moteurs Cours de cogénération G. Descombes 05/12/2018

Thermodynamique des machines thermiques Concept de production d’énergie motrice 05/12/2018

Sommaire 1 Introduction 2 Concept et paradoxe de Carnot 3 Modélisation d’un cycle ditherme 3 Bibliographie 05/12/2018

1 Introduction 05/12/2018

Contexte rétrospectif Carnot (1796-1832). Beau de Rochas (1815-1893). Diesel (1858-1913). 05/12/2018

2 Concept de production d’énergie motrice Moteurs C0 code 14941 2 Concept de production d’énergie motrice 05/12/2018

Conversion d’énergie Point de vue thermodynamique Point de vue aérodynamique Point de vue thermochimique 05/12/2018

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. 05/12/2018

Transmission de chaleur 05/12/2018

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. 05/12/2018

Transmission de chaleur 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

Concept de Carnot La caractérisation d’un 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 n’est le siège d’aucune irréversibilité. 05/12/2018

Moteur de Carnot 05/12/2018

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. 05/12/2018

Concept de Carnot 05/12/2018

Concept de Carnot 05/12/2018

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. 05/12/2018

Concept de Carnot L’anergie An=An(T0) constitue le terme de chaleur intrinsèquement non mécanisable qui est rejeté au puits entropique. 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

Concept de cycle réversible de Carnot 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. 05/12/2018

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 05/12/2018

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. 05/12/2018

Irréversibilités Irréversibilités, concept de dégradation d’énergie mécanisable. 05/12/2018

CYCLE ENDOREVERSIBLE Irréversibilités limitées aux transferts thermiques entre deux niveaux distincts de températures. 05/12/2018

CYCLE ENDOREVERSIBLE 05/12/2018

Irréversibilités thermiques 05/12/2018

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. 05/12/2018

IRREVERSIBILITES Cette dégradation d’énergie est générée par les contraintes résistantes entre les corps en contact et les déformations qui en résultent. 05/12/2018

IRREVERSIBILITES 05/12/2018

IRREVERSIBILITES Tenseur des Tenseur Tenseur contraintes isotrope de viscosité 05/12/2018

IRREVERSIBILITES Tenseur des déformations 05/12/2018

IRREVERSIBILITES 05/12/2018

IRREVERSIBILITES 05/12/2018

IRREVERSIBILITES 05/12/2018

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. 05/12/2018

IRREVERSIBILITES 05/12/2018

IRREVERSIBILITES Le déficit de quantité de mouvement qui résulte des irréversibilités entraîne une baisse de pression génératrice du fluide. 05/12/2018

3 Modélisation thermodynamique Moteurs C0 code 14941 3 Modélisation thermodynamique 05/12/2018

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. 05/12/2018

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. 05/12/2018

Conversion maximale d’énergie 05/12/2018

Conversion minorée d’énergie chimique en travail 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 05/12/2018

Cycle endoréversible Irréversibilités limitées aux transferts thermiques entre deux niveaux distincts de températures. 05/12/2018

Irréversibilités thermiques 05/12/2018

Température entropique 05/12/2018

Température entropique 05/12/2018

Conversion réelle d’énergie 05/12/2018

Production d’entropie 05/12/2018

Moteurs C0 code 14941 4 Bibliographie 05/12/2018

Pour en savoir plus [1’] Transferts de masse et de chaleur dans les moteurs et récupération d’énergie, 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. 05/12/2018

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 05/12/2018

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 05/12/2018