Cycles thermodynamiques des machines the

Cycles thermodynamiques des machines thermiques
Eric Goncalv`es da Silva, Jean-Paul Thibault
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Eric Goncalv`es da Silva, Jean-Paul Thibault. Cycles thermodynamiques des machines ther-
miques. Engineering school. Institut polytechnique de Grenoble, 2008, pp.153. <cel-00556977>
HAL Id: cel-00556977
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Submitted on 18 Jan 2011
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GRENOBLE INSTITUT POLYTECHNIQUE
CYCLES THERMODYNAMIQUES
DES MACHINES THERMIQUES
Eric Goncalv`es et Jean-Paul Thibault - octobre 2008

ii Table des mati` eres

iii
Table des mati`eres
I INTRODUCTION 1
I.1 CADREDUCOURS.................................. 1
I.2 CLASSIFICATION THEORIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.3 CLASSIFICATION PRATIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.3.1 Moteur`acapsulisme.............................. 2
I.3.2 Turbine`agaz.................................. 2
I.3.3 Machine statique `a combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.3.4 Machine mixte `a combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
II UN PEU D’HISTOIRE 3
II.1 CHALEUR ET TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
II.1.1 Lachaleur.................................... 4
II.1.2 Substance ou mouvement ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
II.2 LESLOISDESGAZ.................................. 5
II.2.1 La pression atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.2.2 Pression, volume et temp´erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.3 LAMACHINEAVAPEUR.............................. 6
II.4 LATHERMODYNAMIQUE ............................. 7
II.4.1 Energieetentropie............................... 7
II.4.2 Th´eorie cin´etique des gaz - interpr´etation statistique . . . . . . . . . . . . 8
III RAPPELS DE THERMODYNAMIQUE 11
III.1GENERALITES .................................... 11
III.1.1Notiondesyst`eme ............................... 11
III.1.2Loisd’´etat ................................... 12
III.2 LES DEUX PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE . . . . . . . . . . . . 12
III.2.1 Premier principe - Principe d’´equivalence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
III.2.2 Deuxi`eme principe - Principe de hi´erarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
III.3LESFONCTIONSD’ETAT.............................. 14
III.4 BILAN DES MACHINES THERMIQUES DITHERMES . . . . . . . . . . . . . 15
III.4.1Machinemotrice ................................ 15
III.4.2 Machine r´eceptrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
III.5 ETUDE DE TRANSFORMATIONS REVERSIBLES . . . . . . . . . . . . . . . 15

iv Table des mati` eres
III.5.1 Compression ou d´etente isentropique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
III.5.1.1 Compression avec transvasement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
III.5.1.2 Compression en vase-clos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
III.5.2 Compression isotherme avec transvasement . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
III.5.3CycledeCarnot ................................ 16
III.6 ETUDE DE TRANSFORMATIONS IRREVERSIBLES . . . . . . . . . . . . . . 16
III.6.1 Compression adiabatique avec transvasement . . . . . . . . . . . . . . . . 16
III.6.2 D´etente adiabatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
III.6.3 Transformations polytropiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
III.7 ECOULEMENTS ET SYSTEMES OUVERTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
III.7.1 Ecoulement dans un organe avec ´echange d’´energie . . . . . . . . . . . . . 19
III.7.2 Ecoulement dans une conduite sans ´echange d’´energie . . . . . . . . . . . 20
III.7.3 Ecoulement avec pompe ou compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
III.7.4 Ecoulement avec turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
IV LES TURBINES A GAZ 23
IV.1 GENERALITES - CYCLE REVERSIBLE DE BRAYTON . . . . . . . . . . . . 23
IV.1.1 Le cycle r´eversible de Brayton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
IV.2 LES TURBOMOTEURS / TURBOPROPULSEURS . . . . . . . . . . . . . . . . 25
IV.2.1 Le cycle ouvert irr´eversible de Brayton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
IV.2.2 Am´elioration du cycle - Valorisation de l’´energie . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.2.2.1 Fractionnement de la compression et de la d´etente . . . . . . . . 29
IV.2.2.2 R´eg´en´eration............................. 29
IV.2.2.3 Valorisation de l’´energie : co-g´en´eration - cycles combin´es . . . . 30
IV.3LESTURBOREACTEURS.............................. 31
IV.3.1G´en´eralit´es ................................... 31
IV.3.2Bilanpropulsif ................................. 31
IV.3.3 Cycle du turbor´eacteur simple au point fixe . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
IV.3.4 Cycle du turbor´eacteur simple en vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
IV.3.5 Cycle du turbor´eacteur double d´ebit ou double flux . . . . . . . . . . . . . 33
IV.3.5.1 Turbor´eacteur double flux, double corps . . . . . . . . . . . . . . 34
IV.3.5.2 Turbor´eacteur double flux, simple corps . . . . . . . . . . . . . . 35
IV.4 LES PERSPECTIVES D’AVENIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
V LES MACHINES A CAPSULISME 61
V.1 GENERALITES .................................... 61
V.1.1 Classification .................................. 61
V.1.1.1 Selon le type d’allumage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
V.1.1.2 Selon le nombre de temps (nbre de tours pour faire un cycle
complet) ............................... 61
V.1.2 Description d’un moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
V.2 ETUDE DE CYCLES THEORIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64