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Théorie & Technique>Conversion d'énergie>Machines thermiques

Première version: 08/06/2002
Dernière version: 2016-01-18

Machines thermiques

Nous allons voir la machine thermique, c'est à dire celle qui à partir d'une source d'énergie thermique génère une énergie mécanique, comme la turbine d'une centrale électrique (reçoit de la chaleur provenant d'une réaction nucléaire ou de la combustion d'hydrocarbures, et la restitue ensuite dans le mouvement qui servira ensuite à le transformer en électricité via un alternateur, mais cette partie n'est pas le but de cette page).

Sommaire de la page


Centrales thermiques

Elles servent à produire de l'électricité à partir d'une source de chaleur quelconque (nucléaire, thermique, solaire, ...) qui transforme un fluide afin de le détendre dans une turbine.

Les caractéristiques des centrales thermiques sont :

- Les coûts: du combustible (couts variables, fonction de la production) et de l'investissement (couts fixes, indépendants de la production).
- La charge (énergie ( fournie par / demandé à ) la centrale)
- Rendement de la centrale.

Variation de la charge dans le temps:

mettre le scan du schéma.

La puissance de crête est celle qui coûte la plus chère. On utilise pour celle là soit des turbines à gaz (machines bon marché à l'achat et rapides à démarrer), soit l'énergie hydraulique des barrages.

Pour la puissance intermédiaire on utilise l'hydraulique.

Pour la puissance de base c'est l'énergie thermique.

Comportement de l'eau

Diagramme T-S de l'eau:


L = Liquide,
L+V = mélange diphasique Liquide Vapeur (c'est le domaine du changement de phase)
V = Vapeur.
La courbe d'isobare (P1=cte, en bleu) à une pente bien plus faible qu'en réalité, afin de bien la séparer de la courbe de liquide saturée, que normalement elle suit de très près.

Le titre en vapeur X est le pourcentage de masse de vapeur par rapport au mélange total. Il n'a pas de sens physique en dehors de la courbe en cloche (il ne peut être inférieur à 0 et supérieur à 1).
X = mv / (mv+ml) avec mv = masse de vapeur et ml = masse de liquide.
Pour calculer un titre dans les tables-vapeur thermodynamiques: On applique le théorème des moments (l'échelle du taux de vapeur est proportionnelle à l'échelle d'entropie: entre les courbes de liquide saturé et de vapeur saturée du diagramme T-s, la variation du titre est constante: X=0,5 correspond au milieu du segment bleu, X=0,25 au premier quart du segment bleu) => X2 =(s2 - sl2 ) / ( sg2 - sl2 )
On ramène la longueur du segment bleu à une longueur unitaire suivant l'échelle de s, puis on calcule le pourcentage de longueur ou est placé le point 2.

L'eau liquide est saturée en énergie. Elle ne peut en absorber beaucoup. Pour absorber de l'énergie, elle doit alors se transformer en vapeur. La transformation en vapeur lui permet de se mettre dans un état contennat beaucoup d'énergie, c'est pourquoi la transformation en elle même peut absorber beaucoup d'énergie. Ensuite, la vapeur est saturée en énergie, elle absorbe beaucoup moins l'énergie.
Lors du changement de phase la pression et la température restent constantes (tant que X est compris entre 0 et 1).
Lorsque le titre de vapeur est égal à 1, on dit que la vapeur est saturée. Si on chauffe ensuite la vapeur, celle ci est dite surchauffée.

Diagramme de Mollier de l'eau:

avec h l'enthalpie, et s l'entropie.

Equations thermodynamiques

- La pression: Quand on donne la pression en bar, il s'agit de la pression absolue P. Pg (g pour gauge) est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique, ou pression relative.

- 1ere loi de la thermo : dQ = dU + pdV
avec U l'énergie interne du système (U= Q+W), Q la quantité de chaleur, p la pression interne et dV la variation de volume.

- 2eme loi de la thermo : ds = dQ / T
avec T la température en Kelvin.

- Enthalpie: h = U + pV , et dh = dU + pdV + vdp

- Enthalpie : dh = Cp dT pour un gaz parfait, et s'il n'y a pas changement d'état.
avec Cp la chaleur massique.
Si changement d'état, on tient compte de la chaleur latente Lv: dh = Lv
L'enthalpie h est une fonction potentielle, c'est à dire une différence par rapport à un état de référence. h1 = Δh1 = h1-h0, avec h0 l'enthalpie de référence quand la température est à 0K. C'est pourquoi il faut utiliser les K pour ne pas à avoir à spécifier cette enthalpie de référence, car Δh1 = Cp (T1-T0) = Cp T1 car T0 = 0 K .

h peut être considérée comme l'énergie utile contenue dans le système, et s comme une énergie de pertes (ou niveau de dégradation de l'énergie du système). Si s augmente, c'est que notre rendement n'est pas bon. Un système naturellement verra augmenter son s, c'est à dire son niveau de désordre. Il faut au contraire tendre à baisser s. L'électricité est une énergie libre d'entropie (elle n'a en effet pas de température), et il est trés coûteux en efficacité de lui en donner pour servir de chauffage par exemple. C'est pourquoi on s'en servira plutôt pour des moteurs par exemples, servant aux pompes à chaleur. Quand on augmente l'entropie, beaucoup d'énergie qui disparait pour peu de résultat (ex, sur le diagramme T-s de l'eau, il faut un grand changement d'entropie pour faire changer d'état l'eau, alors que ni la température ni la pression augmentent).

- travail: W12 est la différence d'enthalpie entre les points 1 et 2, multipliée par le débit massique, si la transformation est isentropique (adiabatique par exemple): W12 = m (h1-h2). C'est la même formule pour la quantité de chaleur échangée, en J elle aussi.

Les différents procédés employés dans une centrale et leur développement historique

Cycle de Carnot : c'est un diagramme idéal réversible. Si on n'a pas d'accroissement d'entropie, on n'a pas de pertes (2eme loi). Avec la machine de Carnot, l'entropie est modifiée uniquement en transformant un fluide de sa phase liquide à sa phase vapeur, cette augmentation d'entropie est récupérable facilement.

Systèmes physiques et leur particularité:

Chaudière

Passage de l'eau (X=0) à la vapeur saturée (X=1)
=> T et P constantes (à la surface de l'eau, interface liquide vapeur). La température varie pour porter l'eau à température d'ébullition (pour la pression règnant dans la chaudière).
=> apport d'une quantité de chaleur Q.

Surchauffeur (ou réchauffeur) de vapeur

P = cte (sauf pertes de charges) et T augmente plus on avance dans le surchauffeur. On chauffe de la vapeur (plus grande agitation des molécules).

Condenseur

On passe de la vapeur (X=1) à l'eau (X=0).
=> P et T constantes
=> pertes d'une quantité de chaleur Q

Il est très important dans le condenseur d'évacuer rapidement le condensat (eau liquide) car celle-ci ne possède que très peu d'énergie à fournir comparé à la vapeur, et prend de la place pour rien.

Système avec extraction régénération

Diagramme T-s:

Echangeur de chaleur

Le contre flux est le meilleur système, car ça permet, surtout si l'air en entrée est très froid, de récupérer par échange de chaleur les dernières calories possibles de l'échappement chaud.

Schéma de l'installation


L'hydrothermie terrestre

Je reprends ici une idée d'Harmonyum, quitte à fracturer les roches en profondeur, autant le faire de manière non polluante et plus pérenne que pour extraire du gaz de schiste.

A reprendre.

La géothermie comme source d'énergie :

Il existe une solution bien plus simple et propre de faire de l'énergie, c'est hydrothermie. En injectant de l'eau sous pression à une bonne profondeur, celle-ci est chauffée par la Terre et peut ensuite servir à produire de l'électricité de façon renouvelable et indéfinie. Pourquoi cela n'est pas utilisé alors que ce type de centrale peut être placée n'importe où sur notre territoire : nul besoind 'avoir du volcanisme, le sous-sol est naturellement chaud en profondeur. Avec un forage de 1200 mètres, on obtient une eau chauffée à 80 voire 100°. C'est bien plus efficace et moins cher qu'une centrale nucléaire. Ensuite avec cette électricité très bon marché, on pourrait s'équiper à 100% de voitures électriques sans mettre en danger l'environnement (grâce à des batteries recyclable... et recyclées).

Toutes ces technologies sont à notre portée, et cela depuis plusieurs dizaines d'années mais cela briserait les monopoles d'Areva et des grands pétroliers... là on a véritablement une volonté de stagnation technologique sur de vieilles méthode de production juste pour que ceux qui en profitent continuent le status quo. Le pétrole et le nucléiaire sont des technologie sales et coûteuses économiquement, ce qui montre bien que même sans considérations environnementales, elles ne sont pas logiques et rationnelles. L'énergie géothermique pourrait assurer un développement industriel considérable puisqu'elle donnerait la possibilité de bénéficier d'une énergie électrique presque gratuite.

La Terre se comporte comme un immense réacteur nucléaire et le système de centrale géothermique est le même que celui des centrales atomiques : la fission de l'uranium ne sert qu'à produire de la chaleur qui est ensuite utilisée pour produire de l'électricité. Ces centrales nucléaires ne sont finalement que des "locomotives" à vapeur. Nous avons la technologie alors pourquoi ne pas l'appliquer au réacteur Terre qui lui n'a pas besoin d'entretien, ne produit pas de déchets et ne met pas constamment les populations en danger, aussi bien ceux qui y travaillent que ceux qui sont près des stockages toxiques ou habitant à la périphérie des complexes.

La géothermie est volontairement mise de côté sous différents prétextes car nous ne sommes pas leaders en la matière et parce que les politiques ne sont pas assez cultivés scientifiquement et se laissent manipuler par les grandes entreprises qui font leur lobbying agressif. Longtemps on a entendu dire que la géothermie ne pouvait être utilisée qu'en Islande ou dans des zones au volcanisme actif, ce qui est totalement faux. La température dans le sous sol est graduelle et constante sur tout le territoire français (il existe des cartes spécialisées). En moyenne, la température augmente de 3° par 100 mètre de profondeur, et cela est plus important dans certaines parties de la croûte. Ainsi dans le massif central, à cause de l'activité magmatique ancienne, ce gradient est bien plus élevé.

Avec les forages modernes, les profondeurs nécessaires à l'élaboration d'un circuit de chauffe de l'eau par géothermie sont accessibles depuis longtemps, il suffit juste d'un financement digne de ce nom. Le problème n'est donc pas la technologie, mais bien la façon dont est dirigée le pays (la France en particulier, le monde en général). Il est possible d'avoir une civilisation verte et propre sur le long terme sans renier notre avancée technologique actuelle, bien au contraire, le progrès est freiné par la volonté de maintenir les monopoles au détriment de l'innovation. Il y a une autre façon de vivre sans revenir à l'âge de la pierre polie : ça c'est de la propagande. Au contraire, le système freine notre progrès technologique, c'est donc bien l'inverse : ce système nous maintient au moyen âge plutôt que de nous pousser en avant. A vous d'en tirer les enseignements de tout cela maintenant et voir la manipulation mise en place pour nous endormir et nous faire croire que ce système est le seule valable et le plus efficace : cela est faux, et même pire, il est un frein à notre développement !

à suivre...


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