Qu’est-ce qu’un moteur thermique – Définition

En général, un moteur thermique est un dispositif qui convertit l’énergie chimique en chaleur ou en énergie thermique, puis en énergie mécanique ou en énergie électrique. De nombreux moteurs thermiques fonctionnent de manière cyclique. Génie thermique

Moteurs de chaleur

Les sources d’énergie ont toujours joué un rôle très important dans le développement de la société humaine. L’énergie est généralement définie comme le potentiel de travail ou de production de chaleur . Parfois, cela ressemble à la «monnaie» pour effectuer un travail. L’une des propriétés les plus merveilleuses de l’univers est que l’ énergie peut être transformée d’un type à un autre et transférée d’un objet à un autre .

En général, il est facile de produire de l’énergie thermique en effectuant un travail , par exemple par tout processus de friction. Mais travailler avec de l’énergie thermique est plus difficile . Il est étroitement associé au concept d’entropie . Par exemple, l’électricité est particulièrement utile car elle a une entropie très basse (très ordonnée) et peut être convertie très efficacement en d’autres formes d’énergie .

Parfois, l’énergie mécanique est directement disponible, par exemple l’énergie éolienne et l’hydroélectricité. Mais la majeure partie de notre énergie provient de la combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) et de réactions nucléaires . À l’heure actuelle, les combustibles fossiles constituent encore la principale source d’énergie dans le monde. Mais la combustion de combustibles fossiles ne génère que de l’énergie thermique . C’est pourquoi ces sources d’énergie sont appelées « sources d’énergie primaire », et doivent être converties en source d’énergie secondaire , appelées vecteurs d’énergie ( énergie électrique, etc.). Convertir l’énergie thermique en une autre forme d’énergie, un moteur thermique doit être utilisé.

En général, un moteur thermique est un dispositif qui convertit l’énergie chimique en chaleur ou en énergie thermique, puis en énergie mécanique ou en énergie électrique.

Exemple de moteur thermique
Le cycle de Rankine décrit de manière détaillée les processus des moteurs thermiques à vapeur généralement utilisés dans la plupart des centrales thermiques.

De nombreux moteurs thermiques  fonctionnent de manière cyclique, ajoutant de l’énergie sous forme de chaleur dans une partie du cycle et utilisant cette énergie pour effectuer un travail utile dans une autre partie du cycle.
Par exemple, comme dans toutes les centrales thermiques classiques ,  la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité. Les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes d’alimentation constituent un moteur thermique soumis aux limitations de rendement imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans les centrales nucléaires modernes , l’efficacité thermodynamique globale est d’environun tiers (33%), il faut donc 3000 MWth d’énergie thermique issue de la réaction de fission pour générer 1000 MWe d’énergie électrique.

Moteurs à chaleur et deuxième loi

La deuxième loi de la thermodynamique peut s’exprimer de nombreuses manières spécifiques. Chaque déclaration exprime la même loi. En voici trois qui sont souvent rencontrées.

Avant ces déclarations, il faut rappeler le travail d’  un ingénieur et physicien français, Nicolas Léonard Sadi Carnot a fait avancer l’étude de le deuxième principe en formant un principe ( également appelé règle de Carnot ) qui précise les limites de l’efficacité maximale que tout moteur thermique peut obtenir .

Types de moteurs thermiques

En général, les moteurs thermiques sont classés selon un emplacement de combustion comme:

  • 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 pour les automobiles) sont également des exemples typiques de cycles à essence uniquement. Les moteurs à turbine à gaz et les moteurs à réaction à air pulsé modernes, également basés sur le cycle à gaz uniquement, 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 liquide Malone est un exemple de cycle uniquement liquide. Le moteur liquide Malone était une modification du cycle de Stirling, utilisant 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

Exemple de moteur thermique
Le cycle de Rankine décrit de près les processus des moteurs thermiques à vapeur que l’on trouve couramment dans la plupart des centrales thermiques.

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 est appelé le cycle de Rankine , qui utilise généralement l’eau comme fluide de travail.

Le cycle de Rankine décrit de près les processus des moteurs thermiques à vapeur que l’on trouve couramment 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.

thermodynamique technique
Cycle de Rankine – La thermodynamique comme science de la conversion d’énergie

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).

L’efficacité thermique et le deuxième principe

Un moteur thermique idéal est un moteur imaginaire dans lequel l’énergie extraite sous forme de chaleur du réservoir à haute température est entièrement convertie pour fonctionner. Mais selon la déclaration de Kelvin-Planck , un tel moteur violerait le deuxième principe de la thermodynamique, car il doit y avoir des pertes dans le processus de conversion. La chaleur nette ajoutée au système doit être supérieure au travail net effectué par le système.

Déclaration de Kelvin-Planck:

«Il est impossible de construire un appareil qui fonctionne sur un cycle et ne produit aucun autre effet que la production de travail et le transfert de chaleur d’un seul corps».

Formule d’efficacité thermique

A la suite de cette déclaration, nous définissons le rendement thermique , η e , d’un moteur thermique en tant que rapport du travail qu’il fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q H .

formule d'efficacité thermique - 1

L’ efficacité thermique , η th , représente la fraction de chaleur , H , qui est convertie en travail . Il s’agit d’une mesure de performance sans dimension d’un moteur thermique qui utilise l’énergie thermique, comme une turbine à vapeur, un moteur à combustion interne ou un réfrigérateur. Pour une réfrigération ou des pompes à chaleur, l’efficacité thermique indique dans quelle mesure l’énergie ajoutée par le travail est convertie en chaleur nette. Puisqu’il s’agit d’un nombre sans dimension, nous devons toujours exprimer W, Q H et Q C dans les mêmes unités.

Puisque l’énergie est conservée selon la première loi de la thermodynamique et que l’énergie ne peut pas être convertie pour fonctionner complètement, l’apport de chaleur, Q H , doit être égal au travail effectué, W, plus la chaleur qui doit être dissipée sous forme de chaleur résiduelle Q C dans le environnement. Par conséquent, nous pouvons réécrire la formule de l’efficacité thermique comme suit:

formule d'efficacité thermique - 2

Pour donner l’efficacité en pourcentage, nous multiplions la formule précédente par 100. Notez que, η th pourrait être de 100% seulement si la chaleur perdue Q C sera nulle.

En général, l’efficacité même des meilleurs moteurs thermiques est assez faible. Bref, il est très difficile de convertir l’ énergie thermique à énergie mécanique . Les rendements thermiques sont généralement inférieurs à 50% et souvent très inférieurs. Soyez prudent lorsque vous le comparez aux rendements de l’énergie éolienne ou hydraulique (les éoliennes ne sont pas des moteurs thermiques), il n’y a pas de conversion d’énergie entre l’énergie thermique et mécanique.

Causes d’inefficacité

Comme cela a été discuté, une efficacité peut varier entre 0 et 1. Chaque moteur thermique est en quelque sorte inefficace. Cette inefficacité peut être attribuée à trois causes.

  • Irréversibilité des processus . Il existe une limite supérieure théorique globale à l’efficacité de la conversion de la chaleur pour fonctionner dans n’importe quel moteur thermique. Cette limite supérieure est appelée efficacité Carnot . Selon le principe Carnot , aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs haute température et basse température. Par exemple, lorsque le réservoir chaud a T chaud de 400 ° C (673 K) et T froid d’environ 20 ° C (293 K), l’efficacité maximale (idéale) sera: = 1 – T froid / T chaud = 1 – 293 / 673 = 56%. Mais tous les processus thermodynamiques réels sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Par conséquent, les moteurs thermiques doivent avoir des rendements inférieurs aux limites de leur rendement en raison de l’irréversibilité inhérente du cycle du moteur thermique qu’ils utilisent.
  • Présence de friction et de pertes de chaleur. Dans les systèmes thermodynamiques réels ou dans les moteurs thermiques réels, une partie de l’inefficacité globale du cycle est due aux pertes des composants individuels. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique , des pertes de chaleur et des pertes dans le processus de combustion entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.
  • Inefficacité de la conception . Enfin, la dernière et aussi importante source d’inefficacité provient des compromis faits par les ingénieurs lors de la conception d’un moteur thermique (par exemple une centrale électrique). Ils doivent tenir compte des coûts et d’autres facteurs dans la conception et le fonctionnement du cycle. À titre d’exemple, considérons la conception du condenseur dans les centrales thermiques. Idéalement, la vapeur évacuée dans le condenseur n’aurait pas de sous-refroidissement . Mais les vrais condenseurs sont conçus pour sous-refroidir le liquide de quelques degrés Celsius afin d’éviter la cavitation d’aspiration dans les pompes à condensats. Mais, ce sous-refroidissement augmente l’inefficacité du cycle, car plus d’énergie est nécessaire pour réchauffer l’eau.

Efficacité thermique des moteurs thermiques

En général, l’efficacité même des meilleurs moteurs thermiques est assez faible. Bref, il est très difficile de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique . Les rendements thermiques sont généralement inférieurs à 50% et souvent très inférieurs.

Takaishi, Tatsuo;  Numata, Akira;  Nakano, Ryouji;  Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008).
Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008). «Approche des moteurs diesel et à gaz à haut rendement» (PDF). Revue technique Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Récupéré le 04/02/2011.

Il est facile de produire de l’énergie thermique en effectuant des travaux, par exemple par n’importe quel processus de friction. Mais obtenir du travail à partir de l’énergie thermique est plus difficile. Il est étroitement associé au concept d’entropie , qui quantifie l’énergie d’une substance qui n’est plus disponible pour effectuer un travail utile. Par exemple, l’électricité est particulièrement utile car elle a une entropie très faible (est très ordonnée) et peut être convertie en d’autres formes d’énergie très efficacement . Soyez prudent lorsque vous le comparez aux rendements de l’énergie éolienne ou hydraulique (les éoliennes ne sont pas des moteurs thermiques), il n’y a pas de conversion d’énergie entre l’énergie thermique et mécanique.

L’efficacité thermique des différents moteurs thermiques conçus ou utilisés aujourd’hui a une large gamme:

Par exemple:

Transport

  • Au milieu du XXe siècle, une locomotive à vapeur typique avait un rendement thermique d’environ 6% . Cela signifie que pour 100 MJ de charbon brûlé, 6 MJ de puissance mécanique ont été produits.
  • Un moteur automobile à essence typique fonctionne à environ 25% à 30% de l’efficacité thermique. Environ 70 à 75% sont rejetés comme chaleur perdue sans être convertis en travail utile, c’est-à-dire travail livré aux roues.
  • Un moteur automobile diesel typique fonctionne à environ 30% à 35% . En général, les moteurs utilisant le cycle Diesel sont généralement plus efficaces.
  • En 2014, de nouvelles réglementations ont été introduites pour les voitures de Formule 1 . Ces réglementations du sport automobile ont poussé les équipes à développer des unités de puissance très efficaces. Selon Mercedes, leur unité de puissance atteint désormais plus de 45% et près de 50% d’efficacité thermique, soit 45 à 50% de l’énergie potentielle du carburant est fournie aux roues.
  • Le moteur diesel a le rendement thermique le plus élevé de tous les moteurs à combustion pratiques. Les moteurs diesel à basse vitesse (utilisés sur les navires) peuvent avoir une efficacité thermique supérieure à 50% . Le plus gros moteur diesel au monde culmine à 51,7%.

Ingénierie électrique

  • Conversion d’énergie thermique des océans (OTEC). OTEC est un moteur thermique très sophistiqué qui utilise la différence de température entre les eaux de mer plus profondes et plus chaudes pour faire fonctionner une turbine à basse pression. La différence de température étant faible , environ 20 ° C, son efficacité thermique est également très faible, environ 3% .
  • Dans les centrales nucléaires modernes , le rendement thermique global est d’environ un tiers (33%), de sorte que 3000 MWth d’énergie thermique provenant de la réaction de fission sont nécessaires pour générer 1000 MWe d’énergie électrique. 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. Par rapport à d’autres sources d’énergie, le rendement thermique de 33% n’est pas beaucoup. Mais il faut noter que les centrales nucléaires sont beaucoup plus complexes que les centrales à combustibles fossiles et qu’il est beaucoup plus facile de brûler des combustibles fossiles que de produire de l’énergie à partir de combustibles nucléaires .
  • Les centrales électriques à combustibles fossiles sous-critiques, qui fonctionnent sous une pression critique (c’est-à-dire inférieure à 22,1 MPa), peuvent atteindre une efficacité de 36 à 40%.
  • 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 REO actuels).
  • Les centrales à combustibles fossiles supercritiques, qui fonctionnent à une pression supercritique (c’est-à-dire supérieure à 22,1 MPa), ont un rendement d’environ 43% . Les centrales au charbon les plus efficaces et les plus complexes qui fonctionnent à des pressions «ultra critiques» (soit environ 30 MPa) et utilisent un réchauffage à plusieurs étages atteignent une efficacité d’ environ 48% .
  • Les centrales modernes à turbine à gaz à cycle combiné (CCGT), dans lesquelles le cycle thermodynamique se compose de deux cycles de centrale électrique (par exemple le cycle de Brayton et le cycle de Rankine), peuvent atteindre une efficacité thermique d’environ 55% , contrairement à un cycle unique de vapeur centrale qui se limite à des rendements d’environ 35 à 45%.

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