Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Variantes des cycles moteurs - moteurs à combustion interne classiques - biomasse

Deuxième module

Dans le deuxième module, vous poursuivez l'application des réflexions de la semaine précédente aux moteurs à combustion interne classiques : turbines à gaz et moteurs alternatifs à essence, à gaz et diesel, ainsi qu'aux installations de combustion de la biomasse.

Quelques compléments sur la modélisation de la combustion dans Thermoptim sont pour cela nécessaires.

Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 40 mn de vidéos. Il correspond à la deuxième semaine du MOOC.

Introduction du module

Introduction

Thème 1 : Turbines à gaz et variantes

Compléments de Thermoptim sur la combustion

Compléments de Thermoptim sur la combustion

Extrait sur la combustion

Remarques

Il faut bien comprendre qu'une combustion dans un système énergétique met en jeu un combustible, généralement un hydrocarbure, et un comburant, généralement de l'air composé principalement d'azote, qui reste neutre, et d'oxygène, qui réagit avec le combustible.

Le paramétrage des combustions détermine le rapport entre les quantités de combustible et de comburant. Comme nous l'avons dit, nous utiliserons de préférence le facteur d'air lambda, mais pour certaines applications comme les moteurs à essence, c'est la richesse qui est employée, et pour les chaudières, l'excès d'air.

Les relations qui relient ces paramètres sont très simples, ce qui permet de passer de l'un à l'autre sans difficulté.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

Cycle de turbine à gaz à régénération

Cycle de turbine à gaz à régénération

Remarques

Dans le MOOC CTC-MS, vous trouverez des rappels sur le fonctionnement des turbines à gaz, les technologies correspondantes, et les évolutions de référence suivies par leurs composants. L'exploration dirigée S-M4-V8 leur est consacrée.

En utilisant le modèle Thermoptim qui fait l'objet de l'exploration dirigée proposée ci-dessous, vous pourrez vérifier que les limites de la régénération sont indépendantes de l'efficacité de l'échangeur, mais déterminées par la température de fin de combustion Tmax et par le rapport de compression/détente de la turbine.

Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à régénération.

Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.

Exploration dirigée C-M2-V2

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération

Cycle à compression et détente fractionnées

Cycle à compression et détente fractionnées

Remarques

Cette variante du cycle de la turbine à gaz est une solution intéressante en terme de performances, mais peu mise en œuvre en pratique pour des raisons technologiques et économiques diverses.

Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à refroidissement intermédiaire.

Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

Exploration dirigée C-M2-V3

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée

Vous trouverez une présentation des turbines à gaz dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Propulsion aéronautique

Propulsion aéronautique

Remarques

Vous trouverez une présentation des turbomoteurs dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Le diffuseur et la tuyère modélisés respectivement par les composants Diffuser et Nozzle font partie de la modélothèque de Thermoptim.

Exploration dirigée C-M2-V4

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V4 Turboréacteurs et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M2-V4 Turboréacteurs

Thème 2 : Moteurs alternatifs à combustion interne à essence, à gaz et diesel

Mode général de fonctionnement

Mode général de fonctionnement

Vous trouverez une présentation des moteurs à combustion interne dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Remarques

Les moteurs à combustion interne sont très employés pour la propulsion de véhicules de petite et moyenne puissance, car la machine à piston s'adapte beaucoup mieux à cette utilisation que la turbomachine, qui n'est réalisable qu'avec des vitesses caractéristiques très élevées, et par conséquent doit tourner à des vitesses considérables lorsque la puissance est modérée, avec interposition de réducteurs fragiles et coûteux.

La puissance des moteurs alternatifs s'échelonne pour les applications usuelles de moins de 1 kW à 1 MW environ, l'utilisation de ces machines ayant connu le succès le plus spectaculaire étant la propulsion des véhicules routiers.

Cette animation de la Marine Nationale montre la cinématique du mouvement piston bielle vilebrequin.

Après avoir visualisé le mouvement du piston, de la bielle et du vilebrequin, l'animation met en évidence le mouvement de rotation de ce dernier lorsque le piston subit une translation.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

Cette animation de la Marine Nationale montre le fonctionnement d'un moteur à 4 temps.

Les différentes phases du cycle sont mises en évidence, avec l'ouverture et la fermeture des soupapes et le déclenchement de la combustion par allumage commandé.

On appelle cycle de balayage, dans un moteur à 4 temps, le cycle d'échappement et d'admission, qui ne produit aucun travail.

Cette animation de la Marine Nationale montre le fonctionnement d'un moteur à 2 temps.

Les différentes phases du cycle sont mises en évidence, avec l'ouverture et la fermeture des clapets, l'obturation des lumières et le déclenchement de la combustion par allumage commandé.

Cycles théoriques et réels

Cycles théoriques et réels

Remarques

Comme vous l'avez remarqué, la modélisation des cycles des moteurs alternatifs à combustion interne est beaucoup plus complexe que celle des turbines à gaz, du fait de l'enchaînement de phases en système ouvert et en système fermé. Le détail du paramétrage du moteur à gaz présenté est expliqué dans l'exploration dirigée C-M2-V5b.

Les modèles que l'on obtient sont donc beaucoup moins réalistes et fiables que ceux des moteurs que nous avons considérés jusqu'ici.

Exploration dirigée C-M2-V5b

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V5b Moteur à gaz industriel et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M2-V5b Moteur à gaz industriel

Dans cette piste d'approfondissement, on cherche à étudier un moteur diesel en le représentant par un cycle mixte prenant en compte une combustion en trois phases, et en suivant l'évolution des propriétés du fluide thermodynamique.

La modélisation est effectuée en deux grandes étapes : dans un premier temps, le modèle est paramétré "à la main", en utilisant les fonctionnalités de base de Thermoptim, puis, dans un second temps, un pilote externe assure de manière automatique un paramétrage cohérent.

Cette fiche-guide permet d'étudier le fonctionnement des moteurs Diesel et de montrer comment on peut les modéliser de manière réaliste avec Thermoptim.

Thème 3 : Utilisation énergétique de la biomasse

Utilisation énergétique de la biomasse

Vous trouverez dans le portail Thermoptim-UNIT des présentations de :

Remarques

L'utilisation énergétique de la biomasse rencontre un intérêt croissant du fait de son impact carbone très limité voire nul. Il s'agit de plus d'une ressource renouvelable dont l'impact socio-économique peut être positif au niveau d'une région ou d'un pays.

Elle permet de produire des biocarburants substituables aux dérivés pétroliers, ainsi que des biomatériaux.

Connaissances acquises

Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :

  • saurez calculer une combustion dans Thermoptim, en système aussi bien ouvert que fermé

  • connaîtrez les principales variantes des cycles de turbines à gaz

  • aurez étudié des cycles simplifiés des moteurs alternatifs à combustion interne

  • saurez identifier l'origine des irréversibilités et les axes d'amélioration des cycles moteurs

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