Quel est le type de moteur thermique – Exemple de moteur thermique – Définition

Types de moteurs thermiques

En général, les moteurs thermiques sont classés en fonction du lieu de combustion:

• Moteur à combustion externe. Par exemple, les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe, où le fluide de travail est séparé des produits de combustion.
• Moteur à combustion interne. Un exemple typique de moteur à combustion interne est un moteur utilisé dans l’  automobile , dans lequel la température élevée est obtenue en brûlant le mélange essence-air dans le cylindre lui-même.

La catégorisation détaillée est basée sur un fluide de travail utilisé dans le cycle thermodynamique:

• Cycles de gaz. Dans ces cycles, le fluide de travail est toujours un gaz. Le cycle Otto et le cycle Diesel (utilisé dans les automobiles) sont également des exemples typiques de cycles uniquement à essence. Les moteurs à turbine à gaz modernes et les moteurs à réaction à air comprimé reposant également sur le cycle du gaz uniquement, ils suivent le cycle de Brayton.
• Cycles liquides. Les cycles exclusivement liquides sont plutôt exotiques. Dans ces cycles, le fluide de travail est toujours un liquide. Le moteur à liquide Malone est un exemple de cycle exclusivement liquide. Le moteur liquide Malone était une modification du cycle de Stirling, utilisant de l’eau comme fluide de travail au lieu du gaz.
• Cycles avec changements de phase. Les moteurs à vapeur sont des exemples typiques de moteurs externes avec changement de phase du fluide de travail.

Exemple de moteur thermique

Les moteurs à vapeur et les réfrigérateurs sont des exemples typiques de moteurs externes avec changement de phase du fluide de travail. Le cycle thermodynamique typique utilisé pour analyser ce processus s’appelle le cycle de Rankine , qui utilise généralement de l’eau comme fluide de travail.

Le cycle de Rankine décrit de manière détaillée les processus des moteurs thermiques à vapeur généralement utilisés dans la plupart des centrales thermiques . Les sources de chaleur utilisées dans ces centrales sont généralement la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz naturel ou encore la fission nucléaire .

Une centrale nucléaire (centrale nucléaire) ressemble à une centrale thermique standard à une exception près. La source de chaleur dans la centrale nucléaire est un réacteur nucléaire . Comme c’est typique dans toutes les centrales thermiques conventionnelles, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité.

La plupart des centrales nucléaires exploitent généralement des turbines à vapeur à condensation à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est presque de la vapeur saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers un séparateur-réchauffeur d’humidité (point D ). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité . Le réchauffeur chauffe la vapeur (point D), puis la vapeur est dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (point E à F). La vapeur évacuée se condense ensuite dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), généralement d’une qualité proche de 90%.

Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes à eau d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations d’efficacité imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans le cas idéal (pas de frottement, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de

= 1 – T _froid / T _chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

où la température du réservoir chaud est de 275,6 ° C (548,7 K), la température du réservoir froid est de 41,5 ° C (314,7 K). Mais la centrale nucléaire est le véritable moteur thermique , dans lequel les processus thermodynamiques sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique et des pertes de chaleur entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.

Par conséquent, les centrales nucléaires ont généralement une efficacité d’environ 33%. Dans les centrales nucléaires modernes, l’efficacité thermodynamique globale est d’environ un tiers (33%), de sorte que 3 000 MWth d’énergie thermique provenant de la réaction de fission sont nécessaires pour générer 1 000 MWe d’énergie électrique.

Selon le principe de Carnot, des rendements plus élevés peuvent être atteints en augmentant la température de la vapeur. Mais cela nécessite une augmentation des pressions à l’intérieur des chaudières ou des générateurs de vapeur. Cependant, des considérations métallurgiques imposent des limites supérieures à ces pressions. De ce point de vue, les réacteurs à eau supercritique sont considérés comme une avancée prometteuse pour les centrales nucléaires en raison de leur efficacité thermique élevée (~ 45% contre ~ 33% pour les réacteurs à eau courante actuels). Les SCWR fonctionnent à une pression supercritique (c’est-à-dire supérieure à 22,1 MPa).