André LALLEMAND

Approfondissez les notions d’entropie, d’irréversibilité et de création d’entropie avec la présentation détaillée du deuxième principe de la thermodynamique. L’application de ce concept aux convertisseurs d’énergie montre un comportement différent de l’énergie thermique par rapport aux autres formes d’énergie.

Les installations énergétiques industrielles sont la plupart du temps considérées comme des systèmes ouverts. L’analyse des irréversibilités peut donc s’appuyer sur une étude des bilans entropiques. La méthode exergétique permet, elle, de couvrir les concepts du premier et du deuxième principe de thermodynamique.

La thermodynamique est à la base de l’énergétique, puisqu’elle sert à décrire et à analyser le fonctionnement des systèmes énergétiques. Une approche sous cet angle de vue est notamment utile pour l'étude des machines thermiques et des échangeurs de chaleur.

Les opérations de compression et détente des fluides compressibles correspondent à des transformations ouvertes d’un système, au sens thermodynamique du terme, mettant en jeu toujours de l’énergie mécanique et, selon les cas, de l’énergie thermique. Mais comment optimiser la production de ce travail ?

Appliquez les notions de thermodynamique au fonctionnement des centrales thermiques, systèmes capables de produire de l’électricité à des niveaux de puissance importants. Une solution de couplage turbine à gaz et installation motrice à vapeur permet d’atteindre les meilleurs rendements.

Apprenez quelles sont les diverses énergies mises en jeu lors de la compression ou la détente des générateurs thermomécaniques. Ces machines utilisent, comme fluide frigorigène, un gaz ou plus couramment un fluide sous ses trois états.

Découvrez les principes thermodynamiques des convertisseurs d’énergie permettant de maîtriser leur conception et leur mise en œuvre. L’accent est mis sur l’application du principe du transfert de l'énergie, ainsi que sur la conservation ou non des extensités.

Découvrez les principes de fonctionnement des machines à gaz à flux continu, des moteurs alternatifs, diesels et à allumage commandé. Après un rappel des notions de base de la combustion, leurs cycles thermodynamiques associés sont détaillés.

En dynamique des fluides réels, deux grands types d’écoulement sont distingués, l’écoulement laminaire et l’écoulement turbulent. En théorie, les équations générales de bilans sont applicables, cependant les fluctuations des paramètres thermocinématiques du fluide introduisent des inconnues supplémentaires.

Découvrez les équations associées aux fluides en écoulement et conduisant au calcul du bilan de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie cinétique. La connaissance des transferts de masse et de chaleur s’avère fondamentale pour résoudre un grand nombre de problèmes énergétiques.

Les fluides, qui font partie intégrante de tout système thermodynamique, sont avant tout caractérisés par leur vitesse de déformation et leur viscosité. Dans le cas particulier d’un écoulement sans rotation, la viscosité n’a plus d’effet, ce qui rend beaucoup plus simple son traitement mathématique.

Les applications du génie énergétique ont, pour la grande majorité d’entre elles, recours à des fluides en écoulement. Pour réussir la bonne mise en œuvre de tout système thermique, la connaissance approfondie de la physique et de la cinématique des fluides est donc incontournable.

Les analyses simples reposant sur l’hypothèse d’un écoulement unidimensionnel permettent une compréhension immédiate des problèmes engendrés par des écoulements pourtant tridimensionnels. Les cas particuliers de l’écoulement isentropique d’un gaz parfait et ceux d’un écoulement en canalisation cylindrique, qu’il soit de Fanno (adiabatique irréversible) ou de Rayleigh (réversible et non adiabatique) sont traités.  

La maîtrise des caractéristiques d’une combustion est critique pour de nombreuses applications. Par exemple, le dimensionnement d’installations motrices ou de chauffage nécessite de connaitre les débits d’air  et de fumée ou encore le bon fonctionnement d’installations motrices repose sur le contrôle de la température de combustion.

La combustion sert à produire de la chaleur ou de l’énergie mécanique. Dans les deux cas, la maîtrise du processus nécessite de bien connaitre les équations qui régissent ce phénomène : équations de combustions, températures de rosée des fumées ou encore les limites d’inflammabilité.

Les installations motrices à vapeur, qui ont pour origine les cycles thermodynamiques de base, dits cycles de Rankine, dégagent beaucoup de chaleur. Savez-vous que ces rejets peuvent être valorisés en tant qu’apport thermique dans de nombreux procédés industriels ?

La conversion de l’énergie dans les moteurs thermiques, les machines frigorifiques et les pompes à chaleur a pour même base les deux principes de la thermodynamique. Seuls deux types de cycles mécano-thermiques existent, le cycle à gaz et le cycle à vapeur.

Les cycles présentés sont les cycles à rendement maximal et le cycles de Joule, c’est-à-dire les turbines à gaz. Si on peut imaginer une infinité de cycles à rendement maximal, la réalité est moins intéressante : les moteurs de Stirling ou d’Ericsson, par exemple, sont loin d’atteindre ces valeurs de rendement. Cependant, ces moteurs alternatifs pourraient bénéficier d’un bon développement du fait de l’apport de chaleur externe, ce qui permet des sources d’énergie variées, notamment à base d’énergie renouvelable.

On trouve les installations motrices à vapeur dans les grandes centrales de production d’électricité et sur des sites industriels. Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Pour augmenter encore le rendement de ces machines, diverses évolutions leur sont apportées. Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique.

La présentation thermodynamique des moteurs alternatifs à combustion interne est souvent faite à partir de deux cycles fondamentaux dithermes : le cycle Beau de Rochas, à apport de chaleur isochore, et le cycle Diesel, à apport de chaleur isobare. Ces deux cycles sont des modélisations simples de l’évolution du fluide dans les deux types essentiels de moteurs à combustion : le moteur à allumage commandé et le moteur à allumage par compression. Mais, comme cette modélisation basique conduit à des résultats trop optimistes, un modèle plus réaliste et toujours simple à mettre en œuvre est également présenté.

Les convertisseurs thermomécaniques tels que l’ensemble des moteurs thermiques, les machines frigorifiques ou les pompes à chaleur, convertissent l’énergie thermique en énergie mécanique et vice et versa. Leur fonctionnement est régi par les deux principes de la thermodynamique, qui sont la conservation de l’énergie et les transferts d’énergie des hautes vers les basses intensités. Cet article reprend ces notions générales en rappelant le principe du cycle de Carnot. Sont ensuite présentés et analysés les deux types de cycles des convertisseurs, celui adapté aux machines à compression de gaz, et celui adapté aux machines à compression de vapeur.

Les centrales thermiques permettent de transformer de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. Cet article reprend tout d’abord quelques rappels sur la thermodynamique des moteurs. Il s’attarde ensuite à présenter le fonctionnement des installations motrices des centrales thermiques (turbines à gaz et installations à vapeur). Pour terminer, une solution de couplage est proposée pour optimiser les rendements.

Chaque type d'énergie est formé par le produit d'une variable intensive et d'une variable extensive et pour l'énergie thermique, ces variables sont la température et l'entropie. L'expression générale de la variation d'entropie d'un système quelconque est reliée aux échanges entropiques avec des sources thermiques et aux irréversibilités internes et externes. Les convertisseurs d'énergie que sont les moteurs et les générateurs thermodynamiques sont définis. Le second principe apparaît alors comme la possibilité de faire fonctionner un générateur thermique avec une seule source de chaleur, moyennant une création d'entropie. Enfin, la définition du convertisseur de Carnot et de son rendement permet de comparer les machines réelles aux machines théoriques

L'article débute par des considérations sur les différents régimes d'écoulement, puis par une étude de la cinématique, de la dynamique et de la thermique des couches limites. Les écoulements laminaires sont étudiés à travers l'écoulement de Poiseuille et celui de Hagen-Poiseuille. L'analyse des écoulements turbulents commence par la considération des échelles de turbulence et le point de vue statistique avec les équations de Reynolds appliquées aux bilans de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. Différents modèles de fermeture sont proposés, l'accent étant mis sur le modèle k, ?. Enfin, la prise en compte de modifications dans la composition du fluide au cours de l'écoulement termine cet article.