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1 - NOTIONS DE BASE SUR LA COMBUSTION

2 - MOTEURS À GAZ

3 - INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR (IMV)

4 - COUPLAGE TAC/IMV – CYCLES COMBINÉS

5 - COGÉNÉRATION

6 - GLOSSAIRE

7 - FICHE DE SYNTHÈSE

Article de référence | Réf : BE8068 v1

Cogénération
Moteurs thermiques - Turbines à gaz et à vapeur. Moteurs à essence et Diesel

Auteur(s) : André LALLEMAND

Date de publication : 10 mars 2020

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RÉSUMÉ

La combustion étant à l'origine du fonctionnement de la majorité des moteurs, ses divers aspects chimiques et énergétiques sont tout d'abord abordés. On présente ensuite les cycles thermodynamiques qui sont à la base de la conception des turbines à gaz et turboréacteurs. La modélisation de leur fonctionnement est faite soit en admettant un apport thermique, soit en considérant une combustion dans le foyer de la machine. On analyse également leur comportement exergétique. Après cet exposé du fonctionnement des machines à gaz à flux continu, les moteurs alternatifs, diesels et à allumage commandé, sont décrits et leur fonctionnement est modélisé dans les deux cas : celui d'un apport thermique et celui d’une combustion. Enfin, la modélisation du fonctionnement des installations motrices à vapeur est présentée et des exemples sont donnés. L'article se termine par des considérations relatives aux cycles combinés gaz-vapeur et à la cogénération chaleur-force.

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ABSTRACT

HEAT ENGINES – GAS AND VAPOUR TURBINES, DIESEL AND SPARK-IGNITION ENGINES

The thermodynamic behaviour of power systems based on combustion, is discussed in the paper. Chemical and energy aspects of a combustion process are first presented. Gas turbines and turbojets thermodynamic cycles are analysed by considering either a heat supply, or a combustion in a chamber. An exergy analysis is also performed. After this presentation of the continuous flow devices, reciprocating engines (Diesel and spark-ignition engines) are described and modelled in the two cases of a heat supply or a combustion. Steam power plant modelling is then presented and some examples are given. Combined-cycle and cogeneration power-plants design and operation are also discussed.

Auteur(s)

  • André LALLEMAND : Ingénieur INSA - Docteur ès-sciences physiques - Ex-Professeur des universités - Ex-Directeur du département de génie énergétique de l’INSA, Lyon

INTRODUCTION

Cet article fait suite aux articles [BE 8 064], relatif aux convertisseurs d’énergie en général, et [BE 8 066], qui traite plus spécifiquement des générateurs thermomécaniques (machines frigorifiques et pompes à chaleur). Il présente les applications qui concernent les moteurs thermiques de tous les types : moteurs à flux continu ou moteurs alternatifs, moteurs à gaz ou moteurs à vapeur. Certaines parties de cet article peuvent faire appel à des notions présentées dans les deux articles mentionnés ci-dessus.

Pour leur fonctionnement, la quasi-totalité des moteurs utilisent l’énergie fournie par des combustibles ou carburants. C’est la raison pour laquelle la première partie de l’article est consacrée à un exposé bref, mais suffisant pour la suite de l’article, sur les notions de base de la combustion.

Les machines concernées sont les turbines à gaz ou à combustion, les turboréacteurs, les moteurs Diesel, les moteurs à allumage commandé et les turbines à vapeur associées à une installation de production de vapeur. Cependant, le but de l’article n’étant pas de fournir des informations techniques sur ces machines, seuls les principes de leurs fonctionnements ainsi que les cycles thermodynamiques associés sont détaillés.

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KEYWORDS

combustion   |   calorific value   |   exergy   |   combined cycles   |   cogeneration

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8068


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5. Cogénération

Tous les moteurs thermiques évacuent une certaine quantité de chaleur dans le milieu ambiant. Dans le cas des turbines à combustion, les fumées sortent du système à une température relativement élevée. Pour les IMV, comme pour les MACI, c’est l’eau du condenseur, ou du circuit de refroidissement du moteur, qui échange de la chaleur avec un fluide du milieu ambiant (air ou circuit de refroidissement du condenseur). Dans tous les cas, ces effluents contiennent une quantité d’énergie plus ou moins importante dissipée, in fine, dans le milieu ambiant.

Moyennant quelques modifications, il est possible d’utiliser la quantité de chaleur correspondante, ou du moins une partie de celle-ci. Les installations correspondantes sont dites à cogénération chaleur/force. Dans la notion de rendement de l’installation ηinst , il convient alors de prendre en compte cette chaleur récupérée Qréc  , comptée positivement. En additionnant les puissances ainsi produites, le rendement global devient :

( 116 )

Cette relation montre que, si toute l’énergie cédée au puits froid était récupérée, le rendement de l’installation serait égal à 1. Il n’est pas possible d’y parvenir en pratique, mais des rendements de l’ordre de 70 à 80 % peuvent être atteints.

5.1 Cogénération avec des moteurs à combustion interne

Dans les MACI d’installations fixes (groupes électrogènes par exemple), la chaleur peut être récupérée à deux niveaux de température différents : le plus élevé sur les gaz d’échappement et à un niveau plus bas (de l’ordre de 90 °C) sur l’eau du circuit de refroidissement.

Pour les TAC, la récupération a lieu soit directement en sortie de turbine (température élevée), soit en sortie du récupérateur à une température moindre.

Dans ces différents cas, la cogénération ne nécessite pas (ou peu) d’intervention sur le cycle thermodynamique de la machine à combustion interne.

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ARQUES (Ph.) -   Moteurs alternatifs à combustion interne.  -  Ellipses, Paris (1999).

  • (2) - FEIDT (M.) -   Énergétique. Concepts et applications.  -  Dunod, Paris (2006).

  • (3) - BOREL (L.) et FAVRAT (D.) -   Thermodynamique et énergétique. De l’énergie à l’exergie.  -  Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne (2011).

  • (4) - LALLEMAND (A.) -   Exercices et problèmes de thermomécanique. Des principes aux applications aux machines.  -  Ellipses, Paris (2011).

  • (5) - LALLEMAND (A.) -   Machines hydrauliques et thermiques. Résumés et problèmes corrigés.  -  Ellipses, Paris (2014).

  • (6) - LALLEMAND (A.) -   Thermomécanique des milieux fluides....

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