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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

Couplage TAC/IMV – Cycles combinés
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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4. Couplage TAC/IMV – Cycles combinés

Dans certaines installations de grande puissance, le chauffage de l’eau de l’installation motrice à vapeur est réalisé par les gaz d’échappement d’une turbine à combustion. Ainsi, le GV de l’IMV est constitué par un échangeur gaz d’échappement/eau liquide, puis vapeur. L’installation est dite à cycle combiné gaz/vapeur. Un schéma d’une telle installation est présenté sur la figure 43.

Sur ce schéma, la turbine à gaz TAG fonctionne selon un cycle à récupérateur afin d’obtenir un maximum de puissance. De ce fait, les gaz de combustion ne sont plus à très haute température (généralement de l’ordre de 700 °C en sortie de turbine). Mais comme ils contiennent encore beaucoup d’oxygène du fait de l’excès d’air de la combustion dans le foyer (F), on peut réaliser une postcombustion (FPC) avant que les fumées ne pénètrent en 6 dans le générateur de vapeur (GV) où elles surchauffent la vapeur sortant du ballon en 5 avant de réchauffer l’eau liquide sortant aussi du ballon en 4. Dans la représentation de la figure 43, l’installation motrice à vapeur est à cycle de Hirn.

L’échange thermique entre les fumées du cycle à gaz et l’eau du cycle à vapeur est schématisé sur la figure 44. Sur cette figure, dans un but de simplification, on a fait l’hypothèse que la température du gaz, comme celles de la vapeur d’eau et de l’eau liquide, évoluent linéairement avec la puissance échangée, les capacités thermiques étant supposées invariantes avec la température.

De nombreuses variantes de ce type d’installation existent [BE 8 905] ...

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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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