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L’optimisation énergétique des moteurs thermiques constitue un enjeu majeur pour la préservation des ressources énergétiques et la protection de l’environnement en limitant les émissions de polluants et de gaz à effet de serre.
Dans ce contexte, en utilisant l’approche thermodynamique, Thermodynamique des moteurs thermiques étudie les phénomènes de conversion d’énergie des moteurs thermiques. Les analyses s’étendent de l’énergie primaire utilisée jusqu’à la valorisation de la chaleur fatale. Les bases nécessaires à la compréhension de l’analyse thermodynamique de la combustion et de la conversion de chaleur en travail mécanique sont présentées. Ces analyses s’appliquent aussi bien aux moteurs des systèmes de transport (véhicules routiers et ferroviaires, aéronautique et espace) que ceux des installations fixes (systèmes de cogénération, centrales à cycles combinés).
1. Conversion d’énergie : bases thermodynamiques
2. Moteurs à combustion interne
3. Propulsion aéronautique et spatiale
4. Combustion et conversion d’énergie
5. Moteurs à apport de chaleur externe
6. Valorisation d’énergie et de chaleur fatale
Bernard Desmet
Bernard Desmet a été professeur à l’Université Polytechnique Hauts-de-France de 1988 à 2011. Il est spécialiste de la physique des transferts dans les machines à fluides.
Chapitre 1
Conversion d’énergie : bases thermodynamiques (pages : 7-29)
Ce chapitre introduit les notions de thermodynamique nécessaires à la compréhension des processus de conversion de chaleur en travail mécanique par des machines utilisant un milieu fluide en écoulement continu ou fonctionnant de façon cyclique. L’accent est mis sur la distinction entre les approches fondées sur les premier et second principes de la thermodynamique.
Chapitre 2
Moteurs à combustion interne (pages : 31-77)
Les principes de fonctionnement sont présentés et les caractéristiques des différents cycles théoriques, à pleine charge et aux charges partielles, sont comparées. Une attention particulière est portée à l’influence des propriétés thermophysiques du fluide de travail sur les cycles de fonctionnement. L’approche zéro-dimensionnelle, mono-zone ou multi-zones, plus réaliste est ensuite présentée.
Chapitre 3
Propulsion aéronautique et spatiale (pages : 79-145)
La présentation générale des systèmes de propulsion aéronautiques et spatiaux est suivie d’une analyse thermodynamique des turbines à gaz et de leurs applications en propulsion aéronautique. Les différentes étapes du processus industriel de développement de turboréacteurs sont décrites. Quelques problèmes spécifiques des différents modules des turboréacteurs sont détaillés.
Chapitre 4
Combustion et conversion d’énergie (pages : 147-192)
La production d’énergie et les émissions des combustions, cycliques dans les moteurs à combustion interne ou continues dans les chambres de combustion, sont les centres d’intérêt de ce chapitre. Les bases de cinétique chimique appliquée à la combustion sont introduites. Le potentiel de conversion du combustible en énergie mécanique est défini à partir de l’analyse exergétique.
Chapitre 5
Moteurs à apport de chaleur externe (pages : 193-211)
Les moteurs à combustion externe, essentiellement utilisés pour des applications spécifiques spatiales ou militaires, retrouvent un gain d’intérêt du fait des progrès techniques et de leur capacité à utiliser des sources de chaleur variées. Les principes et les analyses thermodynamiques des moteurs Stirling et Ericsson sont présentés.
Chapitre 6
Valorisation d’énergie et de chaleur fatale (pages : 213-249)
Les bilans thermiques de moteurs à combustion interne et de turbines à gaz, associés à l’analyse exergétique, permettent d’évaluer le potentiel de valorisation de l’énergie thermique résiduelle de ces machines. La cogénération, production simultanée de travail mécanique et de chaleur, et la conversion de chaleur résiduelle en énergie mécanique par des cycles combinés sont étudiées.
