MACHINES THERMIQUES

Pr. AZZABAKH Aniss

Université Abdelmalek Essaâdi

Ecole Nationale des Sciences Appliquées

Tanger

Année universitaire 2022-2023

Département de Génie Electrique et Industriel�AP2

Semestre 4

I. Cycle de Carnot:

Cours : Thermodynamique

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AP2/ S4

En 1824, l’ingénieur français Nicolas Carnot introduisait la première fois dans la théorie de la thermodynamique un processus cyclique simple appelé cycle de Carnot.

Carnot d’ailleurs, s’est intéressé fondamentalement à optimiser les rendements des machines à vapeur, en se basant sur les fondements de rendement et non aux bases mécaniques.

Le cycle de Carnot est un cycle théorique et réversible (si on engage des petits changements dans l’ambiance, on peut concevoir le trajectoire inverse), sa limite est la capacité que présente un système pour convertir en chaleur le travail, il est utilisé dans les machines qui utilisent de la vapeur ou un mélange de combustible avec air ou oxygène.

1. Définition :

I. Cycle de Carnot:

Cours : Thermodynamique

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Un cycle thermodynamique est tout processus pour lequel un système partant d’un état initial, subit une série de transformations thermodynamiques suite à lesquelles il atteint un état final qui est égal à celui initial.

Le premier principe de la thermodynamique s’écrit :

AP2/ S4

2. Cycle thermodynamique :

Q et W : Chaleur et travail qui entrent dans le système par son frontière;

U : Energie totale du système, qui inclue celles potentielle et cinétique ainsi que tous le reste qu’on englobe dans le concept d’énergie interne.

Q + W =ΔU

Un processus cyclique est un processus pour lequel l’état finale est identique à l’état initiale, ou qui se répète périodiquement.

Les processus cycliques sont la base de toutes les machines thermiques et moteurs qui fonctionnent d’une manière périodique.

I. Cycle de Carnot:

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Dans un processus cyclique, l’énergie totale à la fin de ce dernier est la même qu’au début, puisqu’elle s’agit d’une fonction d’état :

Source chaude

Q_e

Source froide

_(Ambiance)

W_e

W_s

Q_s

L’expression de l’énergie et du travail en fonction de ce qui entre et de ce qui sort donne :

Donc :

Ce qui indique que dans processus cyclique, ce qui entre est égale à ce qui sort.

I. Cycle de Carnot:

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Dans cette équation, pas tous les termes sont non nuls en toutes les occasions.

Par exemple, dans un moteur électrique parfait, du travail électrique entre dans le système (moteur) et sort un travail mécanique, sans qu’elle y aura une chaleur mise en jeu.

Maintenant, la situation est différente pour un moteur électrique réel. En effet, ils existent toujours des pertes qui dissipent de l’énergie sous forme de chaleur comme les résistances électriques et le frottement.

I. Cycle de Carnot:

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Donc, le travail ne sort pas comme il entre, mais une partie s’échappe sous forme de chaleur se dissipant vers l’ambiance. Et donc, pour que ceci puisse se faire, l’ambiance devrait être à une température plus inférieure que le système.

⇨ La chaleur perdue est conduite vers la source froide.

Le rendement ou l’efficacité d’une machine est définie d’une manière générale :

Ce qui sera, dans le cas d’un moteur électrique réel :

Exemple : Pour le cas d’un chauffeur électrique, tous le travail qui entre sort sous forme de chaleur => η = (Qs/We) = 1

Pour une machine thermique, le même principe précédent peut être appliqué à un dispositif qui transforme de la chaleur en travail.

Machine thermique :

I. Cycle de Carnot:

Cours : Thermodynamique

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Une machine thermique est un dispositif qui, en fonctionnant sous forme cyclique, prend de la chaleur d’une source chaude, réalise un certain travail (dont une partie est utilisée pour faire fonctionner la machine elle-même) et libère de la chaleur vers une source froide, qui est normalement, l’ambiance.

Exemple : Machine à vapeur utilisée dans les centrales électriques

Source chaude

Q_e

Source froide

_(Ambiance)

W_s

Q_s

W_e

I. Cycle de Carnot:

Cours : Thermodynamique

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En pratique, c’est impossible de concevoir un tel cycle vu que tous les processus qui se produisent dans la nature sont irréversibles, mais l’étude de ce dernier est très utile puisqu’il nous donne la valeur du rendement maximum que peut obtenir une machine.

I. Cycle de Carnot:

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Présentation :

Sur le diagramme (p,V)

Sur le diagramme (T,S)

Le cycle se divise en quatre étapes, chacune desquelles correspond à une transformation thermodynamique de base.

Etape 1-2 : Expansion isotherme

C’est un processus isotherme et étant un gaz parfait qui rend que la température reste constante T_C.

II. Cycle de Carnot:

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Le gaz se trouve à l’état d’équilibre initial présenté par P₁, V₁, T₁, à l’intérieur du cylindre (T₁ = T_C=chaud=Hot).

Suite à une expansion isothermique entre 1 et 2, le gaz atteint les valeurs P₂, V₂, T_C :

Etape 2-3 :

Expansion adiabatique (Le gaz passe de l’état 2 à l’état 3).

II. Cycle de Carnot:

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Puisqu’il s’agit d’un processus adiabatique, il n’existe pas de transfert de chaleur, le gaz doit réaliser un travail, ce qui soulève le piston, pour lequel le cylindre doit être isolé thermiquement, atteignant les valeurs P₃, V₃ et T_F .

Etape 3-4 : Compression isotherme

Le gaz passe de l’état 3 à l’état 4.

Entre les états 3 et 4, le gaz atteint les valeurs P₄, V₄ et T_F.

II. Cycle de Carnot:

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Etape 4-1 : compression adiabatique

Le gaz passe de l’état 4 à l’état 1 fermant ainsi le cycle.

On atteigne de nouveau les valeurs P₁, V₁ et T_C sans transfert de chaleur avec le milieu extérieur.

Le second principe donne :

II. Cycle de Carnot:

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Or:

Donc:

: La machine fournit du travail

LE SENS DU PARCOURS DU CYCLE EST IMPORTANT

Sens horaire: W < 0 : La machine produit du travail.

Sens antihoraire: W > 0 : La machine consomme du travail.

Le rendement du cycle de Carnot est donné alors en utilisant la même expression donnée avant :

Cette dernière expression montre que le rendement théorique pour tous les moteurs de Carnot est indépendant du fluide ou combustible utilisé.

III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:

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Comme la chaleur s’écoulera spontanément seulement à partir d’une grande température vers une plus petite, elle se peut faire passer de l’autre chemin si du travail se fait sur le système.

Les réfrigérateurs, les climatiseurs et les pompes à chaleur tous utilisent un travail pour transférer la chaleur d’un objet froid vers un objet chaud.

Plus grande la chaleur cédée vers la cuisine que celle retirée de la source froide.

III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:

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Heat pump : Pompe à chaleur

h: Hot (Chaude)

c: Cold (froid)

Compresseur

Condenseur

III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:

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Réfrigérateurs :

Un réfrigérateur idéal sera donc celui qui retirera la plus grande chaleur de l’intérieur Qc tout en nécessitant la plus petite quantité de travail W.

Ce rapport est appelé le coefficient de performance COP:

C’est un coefficient sans unité.

Les réfrigérateurs typiques ont un COP entre 2 et 6. Plus grande sera la valeur mieux fonctionnera le réfrigérateur.

Suivant le théorème de Carnot, une machine frigorifique ne peut jamais avoir un COP supérieur à celui d’une machine idéale qui fonctionne avec un cycle inverse de Carnot, c’est un cycle réversible.

Suivant le premier principe :

III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:

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Donc, le COP de la machine frigorifique est toujours inférieur à celui d’une machine idéale qui fonctionne avec un cycle inverse de Carnot COPc, donné par :

Climatiseur :

Un climatiseur est essentiellement identique à un réfrigérateur, la source froide est l’intérieur de la maison et la source chaude est l’extérieur.

Pompe à chaleur :

Enfin, une pompe à chaleur est identique à un climatiseur, sauf que les réservoirs sont inversés. La chaleur est retirée du réservoir froid à l'extérieur et épuisée dans la maison, en la réchauffant.

Notez que le travail de la pompe contribue réellement au résultat souhaité (une maison plus chaude) dans ce cas.

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Le diagramme de Carrier également nommé diagramme de l’air humide ou diagramme psychrométrique représente graphiquement les principales caractéristiques physiques et thermodynamiques de l’air humide pour une pression donnée.

IV. Moteurs à Combustion interne :

Les moteurs thermiques sont ceux qui transforment l’énergie thermique en énergie mécanique. On peut les classer sous deux groupes : Moteurs à combustion externe et Moteurs à combustion interne.

Moteurs thermiques

Moteurs à combustion externe

Moteurs à combustion interne

La combustion est faite d’une manière continue hors du propre moteur.

Exemple : centrales thermiques actuelles, Moteur Stirling.

Réalisent la combustion à l’intérieur du moteur même. Exemple : Moteur à 4 temps.

Fig. : moteur à combustion externe avec un Moteur Stirling

Fig. : Combustion dans un cylindre.

Dans les moteurs à combustion interne existe un comburant : Combustible + Oxygène de l’air. Ce dernier peut être liquide comme le gasoil ou huile végétale, gazeux comme le butane ou le méthane et solide comme le Charbon.

On peut également faire une classification des moteurs à combustion interne en fonction de nombres des étapes nécessaires ou "temps" pour compléter un cycle. Ainsi nous avons les moteurs de deux temps (2T) et de quatre temps (4T).

IV. Moteurs à Combustion interne :

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Les moteurs 2 temps et les moteurs 4 temps

IV. Moteurs à Combustion interne :

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Bielles + Pistons

Bloc moteur

Vilebrequin

Cylindre

IV. Moteurs à Combustion interne :

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Fonctionnement

Admission

Compression

Échappement

Combustion / détente

Introduction d’un mélange air/essence durant la descente du piston

Remontée du piston comprimant le mélange dans la chambre de combustion

La bougie produit une étincelle : la combustion se produit. Les gaz chauds repoussent le piston, initiant le mouvement

Évacuation des gaz brûlés dans l’échappement

IV. Moteurs à Combustion interne :

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Moteur à deux temps :

Caractéristiques

Les moteurs 2 temps utilisent les 2 cotés du piston :

- La partie supérieure pour les phases de compression et de combustion : 2^ème temps

- La partie inférieure pour assurer le transfert des gaz : l’admission et l’échappement : 1^er temps

Admission / Échappement

Partie inférieure

Compression Combustion

Partie supérieure

IV. Moteurs à Combustion interne :

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Moteur à 4 temps :

Caractéristiques

1

2

3

4

Le moteur 4 temps utilisent les 4 phases indépendamment les unes des autres :

- L’admission et l’échappement étant assuré par l’ouverture de soupapes

- Durant les phases de compression et de combustion, les soupapes sont maintenues fermées