Les machines thermiques

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1 Les machines thermiques II. Les machines thermiques Une machine thermique permet une conversion d'énergie. Pour fonctionner en régime permanent, elles effectuent des cycles. Très souvent, un fluide est utilisé pour des échanges énergétiques entre la machine et le milieu extérieur. 1. Le cycle de Carnot Une machine ditherme échange du transfert thermique avec deux thermostats. Un cycle de Carnot est un cycle réversible constitué par deux isothermes ( cycle ditherme ) et deux isentropiques ( donc deux adiabatiques ). Il peut être moteur ou récepteur thermique. A A B B D C D C diagramme de Clapeyron diagramme entropique est la température de la source froide, est la température de la source chaude et : chaleur échangée avec les sources froide et chaude. Dans le diagramme entropique l'aire du rectangle ABCD ( > 0 ) correspond à si le cycle est parcouru dans le sens trigonométrique et + dans le cas contraire ( cas de la figure ). Dans le diagramme de Clapeyron l'aire ABCD ( > 0 ) correspond à + si le cycle est parcouru dans le sens trigonométrique et à dans le cas contraire ( cas de la figure ). L application du deuxième principe de la thermodynamique donne : + = =0 =0 L application du premier principe de la thermodynamique donne : + + =0 2. Les moteurs thermiques relation de Carnot Un moteur thermique est un dispositif qui transforme un transfert thermique (reçu du milieu extérieur) en travail (récupérable par le milieu extérieur). Un moteur thermique monotherme est impossible. Le rendement ( ou efficacité ) d'un moteur est : η= ç Rabeux Michel Page 1

2 Cas d un moteur suivant le cycle de Carnot ( moteur ditherme ) : S.C. M S.F. + + =0 =0= + remarque : η <1 η = = =1 Si le cycle est décrit de façon irréversible : η é <η (voir I.2. inégalité de Clausius) 3. Les récepteurs thermiques Il y a deux familles : les machines frigorifiques et les pompes à chaleur. Leur objet est d effectuer un transfert thermique de la source froide ( ) à la source chaude ( ) à l'aide du travail reçu. Le but d'un réfrigérateur est de refroidir la source froide, le but de la pompe à chaleur est de réchauffer la source chaude. Cas d un récepteur suivant le cycle de Carnot ( récepteur ditherme ) : S.F. M S.C. ( >0, >0, <0 ) Le coefficient de performance ou d'efficacité d'un réfrigérateur ( ou d un climatiseur ) est dans le cas d'un fonctionnement en cycle de Carnot ( : efficacité frigorifique ) = = peut être supérieure à 1 Le coefficient d'efficacité d'une pompe à chaleur est ( : efficacité thermique ) notée aussi = = >1 Rabeux Michel Page 2

3 4. Représentations de divers cycles Les différents cycles des machines thermiques peuvent être représenté dans le diagramme de Clapeyron ( ou Watt ) (,), le diagramme entropique (,). Cas de cycles moteurs A B A B D D C C cycle de CARNOT A A B B D D C C cycle de STIRLING D D C E C E A B A B cycle de BEAU de ROCHAS Rabeux Michel Page 3

4 B C C B D A D A cycle de BRAYTON JOULE D C D E C E A B A B cycle DIESEL phase du cycle où le fluide cède effectivement de la chaleur à l'extérieur. phase du cycle où le fluide reçoit effectivement de la chaleur de l'extérieur. Le diagramme entropique permet de "visualiser" l'efficacité du moteur. A températures extrêmes identiques ( et ), ce sont les cycles de Carnot et de Stirling qui donnent la meilleure efficacité ( ou rendement ). η= Pour les cycles récepteurs, les sens de parcours sont inversés, de plus tous ces cycles ne sont pas utilisés en récepteur. III. Exemples de machines thermiques 1. Machine frigorifique à air ( climatiseur ) On fait subir à l'air le cycle suivant : de A à B : compression isentropique de l'air de p 1 à p 2, la température passe de T 1 à T B ( T B > T 2 ) de B à C : à pression constante p B, l'air se refroidi de T B à T 2 de C à D : détente isentropique de l'air de p 2 à p 1, la température passe de T 2 à T D < T 1 de D à A : à pression constante p 1, l'air se réchauffe de T D à T 1 Rabeux Michel Page 4

5 intérieur de la pièce air T 1 p 1 A compresseur D détendeur B C échangeur thermique ( extérieur T 2 > T 1 ) Le cycle de Clapeyron est le suivant : p p 2 C B p A D A v * Bilan énergétique L'air sera considéré comme un GP et on négligera les variations de ec et ep. Pour chaque étape, le premier principe ( écoulement ) s'écrit : h = w ext + q Pour le passage BC : h BC = q BC = h C - h B = c P.(T 2 - T B ) Pour le passage DA : h DA = q DA = h A - h D = c P.(T 1 - T D ) Pour le passage AB : h AB = w ext AB = h B - h A = c P.(T B - T 1 ) Pour le passage CD : h CD = w ext CD = h D - h C = c P.(T D - T 2 ) Les passages de A à B et de C à D étant isentropiques, les relations entre T et p sont les suivantes : =. γ γ et =. γ γ = = L'efficacité de la machine frigorifique s'écrit : = si le compresseur et le détendeur sont découplés = = = é ( )( ) γ γ si le compresseur et le détendeur sont couplés Dans le deuxième cas l'efficacité est supérieure, elle peut s'écrire : 1 1 = = 1 γ γ 1 A.N. : T 1 = 295 K ; T 2 = 303 K ; p 1 = 1 bar ; p 2 = 2 bar ; γ = 1,40 e F = 4,6 T B = 360 K T D = 249 K Les machines frigorifiques usuelles utilisent du fréon ( CCl 2 F 2 ) comme fluide Rabeux Michel Page 5

6 2. Moteur à explosion ( voir TD ) les 4 temps du moteur à explosion sont les suivants : Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4 L'admission La compression L'explosion (ou détente) L'échappement La soupape d'admission s'ouvre et le piston descend, aspirant le mélange air-essence. Les soupapes d'admission et d'échappement se ferment. Le piston remonte comprimant le mélange airessence. Les deux soupapes fermées, la bougie émet une étincelle provoquant l'explosion du mélange air-essence. La pression fournie permet de faire redescendre le piston (temps moteur) La soupape d'échappement s ouvre et le piston remonte permettant l'évacuation des gaz brulées que l'on retrouvera à la sortie du pot d'échappement Rabeux Michel Page 6

7 IIII. Principe de fonctionnement d une centrale nucléaire Dans les centrales nucléaires françaises, relevant de la filière à eau sous pression, la production d électricité, ainsi que le refroidissement et l évacuation de la chaleur, s effectuent selon le processus suivant : Schéma de fonctionnement d un Réacteur à Eau sous Pression (REP) 1. Le cœur du réacteur La source de chaleur est le cœur du réacteur. L'uranium s'y trouve sous forme de petites pastilles cylindriques de 8 mm de diamètre, en oxyde d'uranium, empilées dans des tubes en zirconium, appelés gaines, parfaitement étanches : les crayons combustibles ainsi formés sont regroupés en assemblage de section carrée, qui en contiennent 264. Chaque assemblage combustible a plus de 4,5 m de hauteur, pour une masse de 700 kg environ ; on compte 193 assemblages dans une centrale de MW, soit au total plus de crayons, et environ 100 tonnes d'uranium, un uranium enrichi à 3 % d'uranium 235, dont les fissions fournissent l'énergie, la chaleur. On renouvelle un tiers ou un quart des assemblages chaque année. Rabeux Michel Page 7

8 2. Circuit primaire Dans un réacteur nucléaire comme dans toute centrale thermique, on transforme l'énergie libérée par un combustible sous forme de chaleur en énergie mécanique, puis électrique. L eau de la cuve s échauffe au contact des barres d uranium ( plus de 300 C ). Elle est maintenue sous pression ( 155 bar ), ce qui l empêche de bouillir, et circule dans un circuit fermé appelé circuit primaire. L'eau du circuit primaire n'est jamais en contact avec l'eau secondaire. Le circuit primaire comprend la cuve, les générateurs de vapeur et le pressuriseur. 3. Circuit secondaire L eau du circuit primaire transmet sa chaleur à l eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire. Cet échange de chaleur s effectue par l intermédiaire d un générateur de vapeur. Au contact des tubes parcourus par l eau du circuit primaire, l eau du circuit secondaire s échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l alternateur qui produit l électricité. Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle. 4. Circuit de refroidissement Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C est le but d un troisième circuit indépendant des deux autres, le circuit de refroidissement. Sa fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est aménagé un condenseur, appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Quant à l eau du condenseur, elle est rejetée, légèrement échauffée, à la source d où elle provient. Si le débit de la rivière est trop faible, ou si l on veut limiter son échauffement, on utilise des tours de refroidissement, ou aéroréfrigérants. L eau échauffée provenant du condenseur, répartie à la base de la tour, est refroidie par le courant d air qui monte dans la tour. L essentiel de cette eau retourne vers le condenseur, une petite partie s évapore dans l atmosphère, ce qui provoque ces panaches blancs caractéristiques des centrales nucléaires. Rabeux Michel Page 8

9 5. La salle des machines Elle abrite le groupe turbo-alternateur. On trouve sur la même ligne d'arbre les différents corps de la turbine : un corps haute pression, trois corps basse pression puis l'alternateur ; au total 74 m de longueur. Le rotor du groupe turbo-alternateur tourne à tours/minute. A pleine puissance, le débit vapeur traversant la turbine est de l'ordre de tonnes/heure à une pression de 70 bar et à une température de 280 C. Rabeux Michel Page 9

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