Présentation
EnglishRÉSUMÉ
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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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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2. Moteurs à gaz
Les moteurs à gaz peuvent être divisés en deux grands types : les moteurs à flux continu (turbines à gaz et turboréacteurs) et les moteurs alternatifs (moteurs à allumage commandé et moteurs Diesel). La quasi-totalité de ces moteurs fonctionnent grâce à la combustion interne d’un carburant mélangé à de l’air. Par ailleurs, dans certaines applications, les réactifs ne sont pas à la même température. La figure 3 a doit être alors remplacée par la figure 6 et, dans la relation (17), les bornes supérieures des intégrales relatives au carburant et à l’air sont différentes. Cette différence n’entraîne cependant aucune différence fondamentale dans les calculs.
On peut préciser que, dans les études de base telles que celles qui sont présentées dans la suite de cet article, la combustion est représentée par ses effets : soit la chaleur dégagée par la combustion, soit la température atteinte lors d’une combustion adiabatique, soit un ensemble des deux.
2.1 Moteurs à flux continu
2.1.1 Turbines à gaz – Cycle de Joule et cycles dérivés
2.1.1.1 Cycle de Joule théorique
Étant donné que les échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur s’effectuent à pression constante d’une part et que dans de très nombreux cas les écoulements du fluide thermodynamique dans les machines de compression et de détente ont lieu de manière adiabatique, donc théoriquement isentropique, d’autre part,...
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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. Application...
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