Chapitre 9
247
Introduction
Maintenant que nous nous sommes armés de solides notions théoriques,
nous pouvons étudier de plus près les cycles thermodynamiques utilisés
dans l’industrie. Ce chapitre 9 (cycles moteurs à vapeur) a pour objectif de
répondre à deux questions :
• Pourquoi et comment utilise-t-on des moteurs à vapeur aujourd’hui ?
• Pour quelles raisons s’éloigne-t-on des cycles idéaux et comment quantifiet-on ces compromis ?
9.1 Pourquoi utiliser un moteur à
vapeur ?
« L’on a essayé à diverses reprises
de faire agir la chaleur sur l’air atmosphérique pour donner naissance à la
puissance motrice. ce gaz présente, relativement à la vapeur d’eau, des avantages et des inconvéniens que nous allons examiner.
1°. Il présente, relativement à la vapeur d’eau, un avantage notable en ce
qu’ayant à volume égal une capacité
pour la chaleur beaucoup moindre, il
se refroidirait davantage par une extension semblable au volume. [...] Or on a
vu de quelle importance il était d’occasionner, par les changemens de volume,
les plus grands changemens possibles
dans la température.
2°. La vapeur d’eau ne peut être formée que par l’intermédiaire d’une chaudière, tandis que l’air atmosphérique
pourrait être échauffé immédiatement
par une combustion exécutée dans son
sein. On éviterait ainsi une perte considérable, non seulement dans la quantité
de chaleur, mais encore dans son degré
thermométrique. »
Sadi Carnot, 1824 [4]
L’utilisation de l’eau comme fluide moteur dans une machine a indubitablement de nombreux inconvénients. En particulier, contrairement aux moteurs
à combustion interne :
• Il est nécessaire soit de recycler l’eau dans la machine (et donc de la
refroidir), soit de trouver une source continue d’eau pure pour la faire
fonctionner ;
• Il y a une perte inévitable d’une partie de la chaleur fournie à la machine,
au-dessus de la chaudière.
Pourquoi, alors, s’intéresser au fonctionnement des moteurs à vapeur ?
La réponse est que beaucoup de sources de chaleur ne permettent pas
d’apporter de la chaleur directement à l’intérieur du fluide moteur. En fin
de combustion, le charbon, le bois, des déchets ménagers ou agricoles, par
exemple, laissent des résidus importants qu’il est impensable de faire circuler
dans une turbine. Les réactions nucléaires, quant à elles, ne peuvent pas
être effectuées directement au sein de l’air. L’exploitation de ces sources, qui
constituent une part importante des sources mondiales d’énergie, nécessite
donc d’aller prélever la chaleur à l’extérieur du moteur.
Les liquides ont une excellente capacité calorifique volumique en comparaison à celle de l’air (celle de l’eau est environ mille fois supérieure 1 ) : il
s’agit donc de médiums compacts pour prélever de la chaleur d’une source
externe. Parmi eux, l’eau est la plus abondante et certainement la moins
difficile à manipuler.
Ainsi, la quasi-totalité des moteurs pour lesquels l’apport de chaleur ne peut
être fait à l’intérieur de l’air fonctionne avec de l’eau. Ces sources de chaleur
rendant difficile leur utilisation dans les transports, il s’agit le plus souvent d’installations statiques utilisées pour générer du courant électrique :
une configuration qui permet d’importantes économies d’échelle dans le
stockage et le transport de l’énergie. L’ensemble de ces facteurs justifie le
développement de centrales à vapeur de plusieurs gigawatts électriques de
puissance (1 GW = 10 9 W), ce qui fait d’elles les moteurs thermiques les
plus puissants au monde.
1 Il est laissé à l’étudiant/e l’exercice de retrouver ces valeurs, à l’aide des
chapitre 4 (le gaz parfait) et chapitre 5 (liquides et vapeurs).
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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Introduction
Maintenant que nous nous sommes armés de solides notions théoriques,
nous pouvons étudier de plus près les cycles thermodynamiques utilisés
dans l’industrie. Ce chapitre 9 (cycles moteurs à vapeur) a pour objectif de
répondre à deux questions :
• Pourquoi et comment utilise-t-on des moteurs à vapeur aujourd’hui ?
• Pour quelles raisons s’éloigne-t-on des cycles idéaux et comment quantifiet-on ces compromis ?
9.1 Pourquoi utiliser un moteur à
vapeur ?
« L’on a essayé à diverses reprises
de faire agir la chaleur sur l’air atmosphérique pour donner naissance à la
puissance motrice. ce gaz présente, relativement à la vapeur d’eau, des avantages et des inconvéniens que nous allons examiner.
1°. Il présente, relativement à la vapeur d’eau, un avantage notable en ce
qu’ayant à volume égal une capacité
pour la chaleur beaucoup moindre, il
se refroidirait davantage par une extension semblable au volume. [...] Or on a
vu de quelle importance il était d’occasionner, par les changemens de volume,
les plus grands changemens possibles
dans la température.
2°. La vapeur d’eau ne peut être formée que par l’intermédiaire d’une chaudière, tandis que l’air atmosphérique
pourrait être échauffé immédiatement
par une combustion exécutée dans son
sein. On éviterait ainsi une perte considérable, non seulement dans la quantité
de chaleur, mais encore dans son degré
thermométrique. »
Sadi Carnot, 1824 [4]
L’utilisation de l’eau comme fluide moteur dans une machine a indubitablement de nombreux inconvénients. En particulier, contrairement aux moteurs
à combustion interne :
• Il est nécessaire soit de recycler l’eau dans la machine (et donc de la
refroidir), soit de trouver une source continue d’eau pure pour la faire
fonctionner ;
• Il y a une perte inévitable d’une partie de la chaleur fournie à la machine,
au-dessus de la chaudière.
Pourquoi, alors, s’intéresser au fonctionnement des moteurs à vapeur ?
La réponse est que beaucoup de sources de chaleur ne permettent pas
d’apporter de la chaleur directement à l’intérieur du fluide moteur. En fin
de combustion, le charbon, le bois, des déchets ménagers ou agricoles, par
exemple, laissent des résidus importants qu’il est impensable de faire circuler
dans une turbine. Les réactions nucléaires, quant à elles, ne peuvent pas
être effectuées directement au sein de l’air. L’exploitation de ces sources, qui
constituent une part importante des sources mondiales d’énergie, nécessite
donc d’aller prélever la chaleur à l’extérieur du moteur.
Les liquides ont une excellente capacité calorifique volumique en comparaison à celle de l’air (celle de l’eau est environ mille fois supérieure 1 ) : il
s’agit donc de médiums compacts pour prélever de la chaleur d’une source
externe. Parmi eux, l’eau est la plus abondante et certainement la moins
difficile à manipuler.
Ainsi, la quasi-totalité des moteurs pour lesquels l’apport de chaleur ne peut
être fait à l’intérieur de l’air fonctionne avec de l’eau. Ces sources de chaleur
rendant difficile leur utilisation dans les transports, il s’agit le plus souvent d’installations statiques utilisées pour générer du courant électrique :
une configuration qui permet d’importantes économies d’échelle dans le
stockage et le transport de l’énergie. L’ensemble de ces facteurs justifie le
développement de centrales à vapeur de plusieurs gigawatts électriques de
puissance (1 GW = 10 9 W), ce qui fait d’elles les moteurs thermiques les
plus puissants au monde.
1 Il est laissé à l’étudiant/e l’exercice de retrouver ces valeurs, à l’aide des
chapitre 4 (le gaz parfait) et chapitre 5 (liquides et vapeurs).
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen