Bonjour à tous. Je suis heureux de vous retrouver à nouveau au cours récif de thermodynamique, coordonné par l''ecole polytechnique fédérale de Lausanne, et relatif aux fluides. Aujourd'hui, nous allons porter notre attention au module consacré à l'introduction aux machines thermiques. Tout de suite passons au sommaire de ce module. Pour fixer les idées, nous commencerons par donner quelques exemples de machines thermiques, puis nous donnerons deux définitions pour bien situer les machines thermiques dans le champ de la thermodynamique. Le troisième point portera sur les différentes catégories de machines thermiques. Un mot sera ensuite dit sur les modes de combustion pour le cas particulier des moteurs thermiques. Le point suivant sera consacré au rôle que jouent les fluides dans ces machines. Et nous terminerons ce module en examinant le cas du fonctionnement d'une machine thermique à vapeur. Passons donc à quelques définitions des machines thermiques. Nous avons le moteur à essence, encore appelé moteur à explosion. Dans ce moteur le mélange carburant air se fait dans un carburateur et la combustion est amorcée par une bougie. Le moteur diésel diffère du moteur à essence par l'absence de carburateur de mélange des ingrédients de combustion ainsi que l'absence de la bougie d'allumage. Nous avons ensuite la turbine à vapeur actionnée par de la vapeur produite dans une chaudière, par rapport d'énergie calorifique. La turbine à gaz quant à elle est mise en mouvement grâce à l'énergie cinétique des gaz issus de la combustion du mélange carburant air. Le dernier exemple concerne le turboréacteur utilisé dans les avions. Nous avons donné juste quelques exemples, mais notons que cette liste est loin d'être exhaustive. Passons maintenant aux définitions. D'abord la thermodynamique. Il s'agit de ce domaine de la science qui établit les relations entre chaleur, travail et énergie. La machine thermique quant à elle est un convertisseur d'une puissance thermique en une puissance mécanique ou vice versa. Ceci nous emmène à catégoriser ces machines. Nous avons premièrement les moteurs thermiques. Ici le système thermodynamique prélève de la chaleur à haute température à la source chaude, une fraction de cette énergie calorifique est convertie en travail mécanique cédé à l'extérieur, et l'autre fraction est rejetée à la source froide à basse température. Le rendement de ce moteur qui est inférieur à 1 est donné par l'expression ╖égal à moins Wproduit sur Qabsorbée. Wproduit c'est le travail cédé à l'extérieur donc est compté négativement par convention et Qabsorbée c'est la chaleur reçue par le système, et par convention est comptée positivement. Si nous appliquons le premier principe de la thermodynamique, cette expression s'écrit encore ╖ est égal à 1 plus Qrejetée sur Qabsorbée. A titre d'exemple, dans cette catégorie de machine thermique, nous citerons : les machines à vapeur, que l'on retrouve encore dans certaines locomotives, les moteurs à combustion, soit à essence ou diésel, les centrales thermiques ou nucléaires destinées à la production d'électricité. Comme deuxième catégorie, nous avons les machines à transfert de chaleur. Dans cette catégorie, du travail mécanique est fourni au système thermodynamique, qui par conséquent prélève de la chaleur à la source froide à basse température et rejette la chaleur à la source chaude à haute température. L'efficacité d'une telle machine est donnée par l'expression e égal à Qabsorbée sur Wapportée. Une fois de plus si nous appliquons le premier principe de la thermodynamique, cette expression peut encore s'écrire, e égal à Qabsorbée sur moins Qabsorbée plus Qrejetée. Comme exemple dans cette catégorie de machine thermique, nous citerons les machines frigorifiques à compression ou à absorption, et les pompes à chaleur. Ce schéma nous donne une vue d'ensemble des machines thermiques dithermes. Dans un moteur thermique, le fluide thermodynamique prélève la chaleur à la source chaude, produit un travail mécanique W, et rejette la chaleur à l'environnement extérieur. Dans une pompe à chaleur le système thermodynamique reçoit un travail mécanique, prélève de la chaleur à l'environnement extérieur, et rejette la chaleur à la source chaude. S'agissant de la machine frigorifique, le système thermodynamique reçoit un travail mécanique, prélève de la chaleur à la source froide et rejette la chaleur à l'environnement extérieur. Place maintenant aux modes de combustion pour le cas particulier des moteurs thermiques. Commençons d'abord par le moteur thermique à combustion interne. Sont concernés par cette catégorie de moteurs, le moteur rotatif, encore qualifié de Wankel, le moteur alternatif ou à pistons, et la turbine à gaz. Si nous nous intéressons au moteur alternatif il comprend le moteur à allumage commandé ou le moteur essence, le moteur à allumage par compression ou moteur diésel. Dans la catégorie de moteur diésel, nous distinguons le moteur à injection directe et le moteur à injection indirecte. Notons que dans cette gamme de moteur, il y a combustion d'un fluide suivi de la détente de ce dernier pour produire un travail mécanique. Le système thermodynamique est renouvelé à chaque cycle. On parle du circuit ouvert. Le moteur fonctionne avec une seule source de chaleur qui est l'atmosphère. Nous avons ensuite la catégorie de moteurs à combustion externe. Sont concernés par ce type de moteurs, la turbine à vapeur et le moteur à air chaud. Notons que dans cette [INAUDIBLE] de moteur, il y a apport de chaleur à un fluide caloporteur suivi de la détente de ce dernier pour produire un travail mécanique. Le système thermodynamique peut être de l'air ou de l'eau. Notons que ce système n'est pas renouvelé, mais recyclé. On parle alors d'un circuit fermé. Le moteur fonctionne avec deux sources de chaleur. Passons maintenant aux rôles que peuvent jouer les fluides en thermodynamique appliquée. Commençons par les machines à cycle ouvert. Nous avons la chambre de combustion alimentée d'une part par un réservoir à combustible par le biais d'une pompe et d'un injecteur. D'autre part, de l'air plissé grâce à un compresseur. La turbine est alors actionnée par la détente des gaz brûlés. Les gaz sont ensuite rejetés à chaque cycle. C'est l'exemple d'une turbine d'avion. Pour ce qui est des machines à cycle fermé, nous avons la chaudière, qui reçoit de la chaleur pour porter l'eau de l'état liquide à l'état vapeur. La turbine est ensuite actionnée par la détente des vapeurs produites. A l'étape suivante, c'est-à -dire au niveau du condenseur, les vapeurs sont portées à l'état liquide. Le liquide obtenu est ensuite refoulé à la chaudière au moyen d'une pompe de circulation. Ici, l'état final est identique à l'état initial. C'est l'exemple de l'eau du circuit primaire d'une centrale nucléaire. Comme parcours du fluide dans l'un ou l'autre cas, le cycle est formé par une succession de transformations, notamment un chauffage isobare, une détente isentropique, une compression adiabatique, et une condensation isobare. Nous allons maintenant traiter le cas d'une machine thermique à vapeur. Comment du cycle de Carnot, on débouche au cycle de Rankine. D'abord le cycle de Carnot. Il est caractérisé par deux transformations isothermes ou isobares AB et CD, et deux transformations adiabatiques, BC et DA. Ce cycle est idéal avec un rendement ╖C égal à 1 moins Tf sur TC. Tf étant la température de la source froide, et TC, la température de la source chaude. seulement il est difficilement réalisable dans la pratique, du fait que le titre de vapeur peut varier à l'état initial de l'étape de compression, c'est-à -dire l'état D. Il est par conséquent modifié en cycle de Rankine. Jetons un coup d'œil sur le cycle de Rankine. Pour obtenir le cycle de Rankine, la compression du mélange liquide-vapeur dans le cycle de Carnot est remplacée par une compression de liquide simple de A' à A''. Puis le liquide comprimé subit un chauffage isobare de A'' à B. Le rendement pratique est plus élevé du fait de la substitution du compresseur par une simple pompe de circulation du liquide. Nous allons maintenant traiter le cas d'une machine thermique à vapeur. Examinons maintenant les différentes transformations du cycle de Rankine. Au niveau de la chaudière, nous avons un chauffage isobare de A" à A suivi d'une évaporation isobare du liquide jusqu'à l'état de vapeur saturante en B. Au niveau de la turbine, nous avons une détente isentropique de la vapeur saturante de B à C, donnant du travail mécanique au milieu extérieur. S'agissant du condenseur, il assure la liquéfaction totale du mélange liquide-vapeur, du point C au point A'. Pour terminer, la pompe rejette le condensant dans la turbine et il y a fermeture du cycle. Voyons les calculs de quelques grandeurs usuelles. D'abord la compression adiabatique du liquide à l'aide de la pompe. C'est la transformation A' A''. Le travail de la pompe est donné par l'expression WC égal à la pression au point A'', moins la pression au point A', le tout divisé par la densité du fluide que multiplie la masse volumique de l'eau. Ce travail peut encore être obtenu par l'enthalpie du point A'' moins l'enthalpie du point A'. Pour preuve, il suffit d'écrire l'expression différenciée de la fonction enthalpie, à savoir dh = Tds + vdp. La compression étant adiabatique, nous avons donc s qui ne varie pas, et finalement dh est égal à delta Wc qui est égal à vdp. On peut donc intégrer cette équation et nous obtenons WC égal à la différence de pression entre le point A'' et le point A', le tout divisé par la densité du fluide que multiplie la masse volumique de l'eau, qui est encore égal à la différence d'enthalpie entre le point A'' et le point A'. Concernant le chauffage isobare dans la chaudière, la chaleur fournie au système est donnée par l'expression Q au niveau de la chaudière égal à la différence d'enthalpie entre la sortie de la chaudière et l'entrée de cette dernière. Pour preuve, nous écrivons à nouveau l'expression différenciée de la fonction enthalpie, à savoir, dh = Tds + vdp. Le chauffage étant isobare, la pression est donc égale à une constante. Nous arrivons donc à dh = Tds qui est égal à delta Q chaudière. L'intégration de cette équation nous conduit à Q au niveau de la chaudière qui est donc égal à la différence d'enthalpie entre le point A'' et le point B. Voyons ce qu'il en est lorsque la vapeur se détend adiabatiquement dans la turbine. C'est la transformation BC. Le travail résultant de cette détente est donné par l'expression Wd égal à la différence d'enthalpie entre le point C à la sortie de la turbine et le point B à l'entrée de cette dernière. Pour preuve, nous recourons une fois de plus à l'expression différenciée de la fonction enthalpie, à savoir dh = delta Q + vdp. La transformation étant isentropique, delta Q = 0. Et nous obtenons dh = delta W = vdp. Et l'intégration de cette équation nous donne l'expression du travail fourni par la turbine, à savoir Wd égal à la différence d'enthalpie entre le point C, sortie de la turbine, et le point B, entrée de cette dernière. Pour terminer, examinons la liquéfaction isobare du fluide dans le condenseur. C'est la transformation CA'. La chaleur cédée par le système au niveau du condenseur est donnée par l'expression, Q condenseur égal à la différence d'enthalpie entre la sortie du condenseur, c'est-à -dire le point A', et l'entrée du condenseur, c'est-à -dire le point C. Nous allons nous référer une fois de plus pour le prouver à l'expression différenciée de la fonction enthalpie, à savoir, dh = Tds + vdp. La transformation se faisant à pression constante, nous arrivons donc à dh = Tds = delta Q au niveau du condenseur. L'intégration de cette équation nous donne : Q condenseur = h A'- AC. A' étant la sortie du condenseur, et C l'entrée du condenseur. Penchons-nous maintenant au rendement de ce moteur. Il est défini comme le rapport entre le travail net pris en valeur absolue et la chaleur fournie au système au niveau de la chaudière. On écrit donc eta égal à la valeur absolue du travail de détente au niveau de la turbine, plus le travail de compression au niveau de la pompe, le tout divisé par la chaleur reçue par la chaudière. En remplaçant les différents paramètres de cette expression par leurs valeurs, nous obtenons une expression finale du rendement du moteur qui s'écrit eta égal à hB, c'est l'enthalpie au point B, moins hC l'enthalpie au point C, moins entre parenthèses, la pression au point A'' moins la pression au point A', le tout divisé par la densité du fluide que multiplie la masse volumique de l'eau, tout cela divisé par la différence d'enthalpie entre le point B et le point A''. Nous pouvons remarquer que les calculs des grandeurs usuelles dans un moteur thermique nécessitent la connaissance des valeurs d'enthalpie aux points caractéristiques du cycle. Il y a donc nécessité d'exploitation des diagrammes ou des tables thermodynamiques. Ce schéma donne la représentation du cycle thermodynamique dans le diagramme de Mollier, que nous reverrons au cours du dernier module de cette leçon. En résumé, nous avons une compression isentropique au niveau de la pompe, suivie d'un chauffage et d'une évaporation isobare dans la chaudière. Au niveau de la turbine, il y a détente isentropique, suivie de la condensation isobare dans le condenseur, et le cycle est donc fermé. Nous noterons au terme de ce module, qu'une machine thermique est un convertisseur d'énergie. Nous retiendrons également que nous avons deux catégories de machines thermiques, à savoir le moteur et la machine à transfert de chaleur. Nous relèverons ensuite que le cycle de Rankine est plus pratique que le cycle de Carnot. Et enfin, nous noterons les expressions de calculs des grandeurs usuelles, que nous avons élaborées dans ce module consacré à l'introduction aux machines thermiques. A nous revoir bientôt. [AUDIO_VIDE]
