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Récupération des pertes thermiques d’un moteur diesel marin

AUTIER Erwin 1 5 GMA

MEMOIRE DU PROJET DE FIN D’ETUDES Elève ingénieur de l'I.N.S.A. de RENNES Département Génie MECANIQUE & AUTOMATIQUE 2007-2008

N° d’ordre : PFE 2008-03

ETUDE DE LA RECUPERATION DES PERTES THERMIQUES A L’ECHAPPEMENT D’UN DIESEL

MARIN

Présenté par : AUTIER Erwin Lieu du Projet de Fin d'Etudes : Avel Vor Technologies, Rennes Tuteur du Projet de Fin d'Etudes : GLORENNEC Pierre-Yves Correspondant pédagogique : BURGUIERE André



REMERCIEMENTS

Il me semble nécessaire avant toutes choses de remercier sincèrement toutes les

personnes qui ont pu m’apporter leur aide au cours de ce projet de fin d’étude et notamment

M. André Burguière pour l’accueil sympathique qu’il m’a toujours fait, M. Pierre-Yves

Glorennec pour la confiance et la liberté d’organisation qu’il m’a données ainsi que M. Kévin

Gendron pour les conseils qu’il a pu m’apporter au cours de stage.

Un grand merci à vous.



RESUMES

C’est sur un sujet plus que complet que j’ai pu réaliser ce projet de fin d’études au

département Génie Mécanique et Automatisme. En effet, le projet de récupérer l’énergie

thermique contenue dans les gaz d’échappement d’un moteur diesel de bateau de pêche est un

projet ambitieux et sur lequel nous sommes partis de zéro.

Après un projet industriel mené au long de la cinquième année à l’I.N.S.A de Rennes,

c’est pour une durée de six mois que j’ai pu réintégrer l’équipe dynamique d’Avel Vor

Technologie. Les données à la fin de ce projet n’étaient pas abondantes : nous savions juste

que le moyen de récupération de ces pertes serait vraisemblablement un cycle de Rankine,

cycle thermodynamique moteur utilisant la détente de la vapeur.

Le travail a donc consisté en l’étude d’une nouvelle solution motrice potentielle, le

moteur trilobique, invention non encore commercialisée et avec pour ainsi dire aucune étude

scientifique à l’heure actuelle. L’analyse de ce moteur a donc commencé par une étude

géométrique de façon à pouvoir obtenir ensuite une répartition temporelle du couple sur une

période. S’en est suivie une projection dans le diagramme de Clapeyron permettant de mettre

en évidence des lacunes de rendement si aucune modification n’était réalisée.

De plus, l’étude d’une possible utilisation d’un cycle de Rankine mais binaire, inspirée

par un projet de chez B.M.W a été réalisée. Ayant pour finalité la réalisation d’une feuille de

calcul Excel permettant le calcul du rendement pour des températures données, nous avons pu

tirer la conclusion de l’inutilité actuelle d’un cycle binaire par rapport aux températures

disponibles sur un moteur diesel tel que celui considéré. Il a fallu pour cela appréhender

certaines notions de thermodynamique ainsi qu’une recherche de données assez complexe

parfois, notamment en ce qui concerne l’éthanol, second fluide potentiel à utiliser avec ou

sans l’eau.

Finalement, une première approche en ce qui concerne un des points clés du système,

l’échangeur thermique, a permis de mettre en évidence certaines difficultés qu’il faudra

résoudre au plus vite si l’on veut que le projet reste viable. Ces difficultés ont notamment

amené à balayer les logiciels de mécanique des fluides disponibles et adéquats.



Diesel engine’s exhaust gas saving

The enterprise for which I am executing my training period is called “Avel Vor

Technologies”. “Avel Vor” means “wind of the sea” and you will understand why when you will

know that the global project of this young enterprise created in 2007 is to introduce again sails on

fishing boats and to find solutions to economize gazole on those boats.

The goal of this training period was to study the adaptation of a Rankine’s cycle which would

have as hot source the exhaust gas of a diesel engine.

A lot of work was waiting for me when I began my training period. A new type of engine had

been discovered on the internet by Mr. Glorennec: a “trilobique” engine invented by Pascal Ha Pham.

Invented but not studied: no scientific work had been done concerning the efficiency. That is the

reason why in a first time I worked on different points about this concept, to be able to compare it with

other technologies. The conclusion was that for a Rankine cycle, it was not interesting to use this type

of engine.

After that, analysis of different thermodynamic cycles was done to finish by an Excel

worksheet’s realisation. And finally, heat exchanger is the point on which we are still working, with a

lot of parameters which have to be studied.



SOMMAIRE

INTRODUCTION................................................................................................................................... 1 I – Cadre d’exécution du projet de fin d’étude........................................................................................ 2

1. Avel Vor Technologies, une jeune entreprise en construction................................................... 2 2. Contexte économique................................................................................................................. 3 3. Contexte du stage ....................................................................................................................... 4 4. Conclusion.................................................................................................................................. 6

II – Travaux réalisés à l’heure actuelle.................................................................................................... 7 2. Etude du moteur trilobique et comparaison aux autres systèmes moteurs possibles ................. 9

a. Définition géométrique et remarques préliminaires :............................................................. 9 b. Principe de fonctionnement à l'heure actuelle :.................................................................... 11 c. Améliorations à apporter...................................................................................................... 12 d. Calcul du couple appliqué en fonction de la pression.......................................................... 14 e. Calcul du volume de chambre.............................................................................................. 17 f. Bilan sur le trilobique........................................................................................................... 21 g. Solutions motrices envisagées ............................................................................................. 23

3. Etude de différents cycles thermodynamiques......................................................................... 24 a. Rappels sur les cycles thermodynamiques........................................................................... 25 b. Utilisation de l’éthanol : cycle binaire ou cycle classique ................................................... 28 c. Réalisation d’une feuille de calcul de rendement thermodynamique .................................. 39 d. Conclusion ........................................................................................................................... 40

4. Limites actuelles : problème de l’échangeur thermique........................................................... 41 a. Problématique des échangeurs thermiques .......................................................................... 41 b. Les principaux types d'échangeur ........................................................................................ 42 c. Quelques moyens d'intensifier l'échange au sein d'un échangeur évaporateur .................... 45 d. Echangeur autonettoyant de chez Renzmann et Grünewald ................................................ 46 e. Conclusion ........................................................................................................................... 46

III - Perspectives de travail................................................................................................................... 48 1. Logiciel de simulation.............................................................................................................. 48

a. Raisons de la nécessité d'un logiciel de ce type................................................................... 48 b. Cahier des charges devant être rempli ................................................................................. 50 c. Pistes de choix...................................................................................................................... 50

2. Montage expérimental prévu.................................................................................................... 51 a. Principe du montage envisagé.............................................................................................. 52 b. Pièges à éviter ...................................................................................................................... 54

3. Production de froid par absorption........................................................................................... 54 4. Proposition de thèse ................................................................................................................. 56 5. Conclusion................................................................................................................................ 56

CONCLUSION ..................................................................................................................................... 57 Bibliographie......................................................................................................................................... 58 ANNEXES ............................................................................................................................................ 61

Documents techniques moteurs baudouin......................................................................................... 61 Macro de la feuille de calculs Excel ................................................................................................. 69 Fiche technique de l’échangeur Bowman ......................................................................................... 73



INTRODUCTION

On le sait tous, le prix du carburant, à l’heure actuelle, ne cesse d’augmenter et cela va

jusqu’à atteindre des prix jusqu’alors impensables. Cette hausse des prix touche tout le

monde, mais particulièrement certains métiers pour le moment très gourmands en énergie tel

que le métier de marin pêcheur.

Cependant, si ce métier est particulièrement touché, c’est aussi pour la bonne et

simple raison que jusqu’à maintenant, aucun effort d’économie énergétique n’avait été réalisé.

Avec des consommations tournant entre quatre-vingts et cent litres de gazole par heure pour

un chalutier de taille petite à moyenne, on peut comprendre qu’une augmentation importante

du prix de ce carburant touche rapidement le marin pêcheur. C’est donc dans l’optique de

diminuer cette consommation que l’entreprise Avel Vor Technologies (A.V.T) a été créée en

2007.

Partant de constats simples et pleins de bon sens, A.V.T a mis en place plusieurs

projets pour diminuer les consommations de carburant à bord des bateaux de pêche et de petit

cabotage. Parmi ceux-ci, le projet de récupérer les pertes thermiques portées par les gaz

d’échappement d’un moteur diesel m’a été confié dans le cadre de mon projet de fin d’étude

d’ingénieur à l’I.N.S.A de Rennes.

Pour comprendre le projet dans sa globalité, une description du cadre d’exécution de

ce stage sera donnée avant de rentrer plus en détails dans des considérations

thermodynamiques et mécaniques aboutissant elles-mêmes à un certain nombre de résultats,

de conclusions et de perspectives de travail pour l’avenir de ce projet.

Mais comme il est dit ci-dessus, il est indispensable, pour bien comprendre les

conditions d’exécution du stage, de connaître le contexte économique, « politique » et

professionnel dans lequel ce projet a eu lieu, car le travail a largement était influencé par les

possibilités, notamment matérielles, qui étaient à disposition.



I – Cadre d’exécution du projet de fin d’étude

1. Avel Vor Technologies, une jeune entreprise en construction

Avel Vor Technologies est une jeune entreprise de recherche et développement créée

au printemps 2007. C’est en effet à cette période que M. Pierre-Yves Glorennec, professeur

émérite des universités en intelligence artificielle et enseignant à l’I.N.S.A de Rennes, décide

de se lancer dans ce projet pour mettre en application les connaissances qu’il a pu accumuler

en terme d’intelligence artificielle.

Le constat de départ était simple mais pertinent. En effet, le monde de la pêche, très

présent en Bretagne, est fortement menacé par l’augmentation actuelle du coût du carburant.

Pourtant, il est connu de tous qu’historiquement, les bateaux de pêche pouvaient très bien se

passer de moteur en utilisant la force éolienne par le biais de voiles propulsives. Cependant, à

l’heure actuelle, il est impossible pour un marin pêcheur de se passer d’un moteur ou bien de

s’occuper de voiles : le savoir-faire a été perdu au fil du temps, les contraintes de rendement

sont incompatibles avec l’aléa qu’entraîne l’utilisation d’un tel moyen de propulsion. C’est

pourquoi la proposition que fait A.V.T est la suivante : utiliser des voiles auxiliaires, en

appoint d’un moteur classique, automatisées de façon à ce que le pêcheur n’ait à s’occuper de

rien de plus, mais que sa consommation de carburant soit largement amoindrie. De plus, il

semble évident que la rentabilité d’un tel système doit pouvoir se faire à court terme (dans les

trois premières années d’utilisation par exemple) pour avoir un impact commercial important.

Ce projet, ambitieux mais totalement réalisable, a pour appellation le projet « Grand

Largue », également nom d’un chalutier acheté par

A.V.T pour servir de bateau laboratoire. Bien sûr,

pour mener à bien un tel projet, M. Glorennec ne

pouvait rester seul et c’est ainsi que M. Gendron a

été embauché en septembre 2007 en tant

qu’ingénieur recherche et développement après une

période de stage de six mois. De plus, M. Marie

réalise en ce moment une thèse sur le programme de

détermination du routage optimal au sein de

l’I.N.S.A de Rennes. Le Grand Largue avant travaux



Il semble clair que la présence de l’I.N.S.A de Rennes est fondamentale par rapport à

A.V.T. D’ailleurs, c’est également dans les bâtiments du département informatique de

l’I.N.S.A de Rennes que sont hébergés les bureaux d’A.V.T, ceci étant formalisé par un

accord signé entre M. Jigorel, directeur de l’I.N.S.A et M. Glorennec.

Mais le projet Grand Largue n’est pas le seul que mène A.V.T. A des niveaux de

priorité différents, on peut tout de même constater une grande pluralité dans les sujets et

projets abordés par A.V.T, certains étant en cours d’étude et d’autres au stade d’idée

uniquement.

Parmi ceux-ci, on peut citer :

• Automatisation d’un système de voiles auxiliaires

• Récupération des pertes thermiques au niveau du refroidissement moteur

pour la production de froid par le biais d’un cycle à absorption

• Récupération de l’énergie thermique des gaz d’échappement

• Etude d’un système hydraulique

• Etude du dopage à l’eau de moteurs diesels marins

• Etude de l’optimisation des hélices à pas variable par le biais de

l’automatisation

C’est donc au sein d’une équipe à l’effectif restreint mais aux idées foisonnantes qu’a

eu lieu ce stage. Mais un autre point important à ne pas omettre réside dans le côté financier

qu’entraîne ce type d’entreprise.

2. Contexte économique

En effet, l’activité de recherche et développement implique un certain temps avant

d’avoir un retour sur investissement. Ainsi, il sera primordial de ne pas oublier le fait que le

moindre investissement doit être mûrement réfléchi, lorsque celui-ci est possible, ce qui

implique notamment certaines restrictions en terme d’achat logiciel, de prototypage ou

d’achat de documentations diverses. De plus, il ne vaut pas oublier la pluralité des projets

menés par A.V.T.



Bien que plusieurs de ces projets soient subventionnés par la région Bretagne,

l’A.D.EM.E ou d’autres organismes, le problème reste entier car les subventions sont souvent

longues à arriver ce qui entraîne des problèmes de trésorerie. Mais il est également vrai que le

contexte politique actuel est en faveur d’initiatives telles que celles que propose A.V.T, ce qui

a valu à A.V.T une couverture médiatique très importante durant ces derniers mois, et ce qui

est donc un avantage en termes de communication et donc de subventions potentielles.

Cependant reste le problème de la « cinétique » extrêmement lente des organismes de

subventionnement, ce qui peut entraîner des retards dans les projets. Nous reparlerons de ce

point plus tard dans ce rapport.

Aucune ligne budgétaire n’a donc été clairement définie pour la réalisation du projet

qui m’a été confié, tout du moins pas dans le cadre du stage. Cependant, cela ne signifie

nullement qu’aucun investissement ne pourra ou n’a pu être fait. De plus, la recherche d’un

financement pour que le projet puisse déboucher sur un sujet de thèse est en ce moment même

d’actualité.

C’est donc essentiellement à base de « système D » qu’a été réalisé le travail jusqu’à

présent, sans pour autant sacrifier le côté scientifique, sans lequel l’entreprise perdrait toute

crédibilité.

3. Contexte du stage

Mon travail avec A.V.T n’a pas commencé avec ce projet mais à l’été 2007. En effet,

dans le cadre du stage de quatrième année réalisé pour l’I.N.S.A de Rennes, j’avais réalisé

celui-ci au sein d’A.V.T sur l’étude des consommations électriques à bord des bateaux de

pêche et l’optimisation potentielle de celles-ci. Le bilan de ce travail avait été qu’une

diminution importante des consommations serait possible uniquement au niveau de l’éclairage

– par l’utilisation d’ampoule à LEDs – mais cela pour arriver à une diminution de

consommation de carburant très faible par rapport à la consommation d’un tel navire. Par

contre, une étude concernant la production d’énergie valorisable à partir des pertes thermiques

du moteur (échappement et refroidissement du bloc moteur) avait été proposée. C’est ainsi

qu’un premier travail d’approche a été réalisé par le biais d’un projet industriel au cours de



ma cinquième année au département G.M.A de l’I.N.S.A concernant

la récupération de pertes thermiques au niveau de l’échappement. Le

moteur sur lequel se base cette étude est le 6 M26 SR de chez

Moteurs Baudouin, un moteur diesel de seize litres de cylindrée, 6

cylindres en ligne (documents techniques Baudouin en annexe pages

61 à 68).

Ainsi, quelques résultats fondamentaux avaient été obtenus. On peut résumer ceux-ci à

la liste suivante :

• L’impossibilité d’utiliser une deuxième turbine directement sur la ligne

d’échappement (turbocompresseur trop gourmand)

• L’utilisation d’un cycle de type Rankine (rappel de ce cycle plus loin dans

le rapport) – à voir dans quelles conditions – semble adapté

• La puissance récupérable en première approche semble commercialement

intéressante

C’est donc la continuité de cette première approche qui a été réalisée au cours de ce

projet de fin d’études, dont la période s’étend du 18 février 2008 au 18 août 2008.

Le matériel mis à ma disposition pour réaliser mes recherches consiste principalement

en un ordinateur portable équipé d’un accès Internet et des logiciels de bureautique

communément utilisés ainsi que de SolidWorks en cas de nécessité. De plus, l’accès aisé à la

bibliothèque de l’I.N.S.A a été très utile en ce qui concerne la recherche documentaire et la

recherche de données, ainsi que les publications des Techniques de l’Ingénieur.

6 M26 SR

Schéma de principe obtenu en fin de projet industriel



Il est à noter qu’à l’heure actuelle aucun atelier, banc d’essai, ou autre matériel pour

réaliser des montages expérimentaux n’est disponible. Cependant un projet est en cours mais

nous reviendrons dessus plus tard.

4. Conclusion

Finalement, ce stage a donc pu être réalisé dans un climat humain excellent, encadré

par des personnes compétentes mais ralenti parfois par un manque de matériel inhérent aux

petites entreprises. Mais pour mieux comprendre en quoi ce manque de matériel a pu se faire

sentir, commençons par observer le travail réalisé jusqu’à présent.



II – Travaux réalisés à l’heure actuelle

1. Plan de travail et cahier des charges

Le but de ce projet est de concevoir un système capable de récupérer les pertes

thermiques d'un moteur diesel de bateau de pêche lambda. Ainsi, si l’on dresse un premier

cahier des charges sommaire, on obtient les points suivants :

• Etre adaptable à un moteur existant sans engendrer d'autres modifications que celles

de l'installation sur le tube d'échappement.

• Récupérer une partie (le maximum) de l'énergie thermique contenue dans

l'échappement.

• Transformer au mieux l'énergie thermique récupérée en énergie électrique.

• Etre fiable, sûr, le moins onéreux possible (rentabilité à court terme), avec peu

d'entretien, industrialisable à court ou moyen terme.

• S'adapter aux variations d'énergie fournie (quantité et qualité au niveau de gaz

d’échappement) sans de fortes variations de rendement.

Compte tenu du problème d'adaptabilité à un moteur existant, il semble impossible de

récupérer l'énergie sans l'intermédiaire d'un fluide caloporteur. En effet, l'utilisation directe

des gaz d'échappement par un système de turbine par exemple, nécessiterait une certaine

pression des gaz, pression souvent déjà réduite par la présence d'un turbo-compresseur.

De plus, si on prend en compte la facilité d'utilisation, il semble plus approprié

d'utiliser un cycle fermé plutôt qu'un cycle avec rejet du fluide caloporteur.

Nous avons donc décidé lors du projet industriel de cinquième année de mettre un

place le cycle bien connu de Rankine, avec pour source chaude les gaz d'échappement et

comme source froide l'eau de mer à faible température. Ce cycle sera décrit plus en détails par

la suite.



Pour pouvoir mettre en place un cycle de Rankine, il nous faudra donc étudier

plusieurs points :

• La solution motrice du cycle

• Quel cycle utilisé précisément (fluide(s), températures)

• Comment récupérer cette énergie thermique (échangeur)

• Adapter les résultats obtenus aux contraintes réelles (adaptation à la ligne

d’échappement et encombrement)

Le premier point sur lequel nous avons décidé de travailler est le choix du type du

système moteur pour notre cycle. Sans vouloir établir un classement chronologique du travail

réalisé, les possibilités de solutions motrices ont été étudiées dans un premier temps car un

nouveau système moteur était envisagé, le moteur trilobique, et il nous fallait pour des raisons

commerciales, étudier cette opportunité avant toute autre chose.

Pour répondre à ce problème, un balayage des solutions possibles nous a amené à

comparer les solutions suivantes de façon à faire le choix le plus en adéquation avec notre

besoin :

• Turbine adaptée à notre cycle

• Moteur à piston avec bielle/vilebrequin

• Moteur à piston monter de façon linéaire

• Moteur trilobique

Pour pouvoir choisir parmi ces quatre systèmes moteurs, il fallait pouvoir faire une

comparaison concrète et chiffrée, sans pour autant pour passer par le prototypage pour chacun

d'entre eux. De plus, le moteur trilobique étant une invention récente et pas encore

industrialisée, l'étude n'avait pas encore été faite de façon précise et scientifique. Le premier

des travaux à réaliser était donc l'étude plus précise du moteur trilobique, sur son

comportement thermodynamique et son mode de fonctionnement, puis de le comparer au

moteur à piston sous ses deux formes.



2. Etude du moteur trilobique et comparaison aux autres systèmes moteurs

possibles

a. Définition géométrique et remarques préliminaires :

Le moteur trilobique est une invention de M. Pascal Ha Pham. Ce moteur, breveté,

peut fonctionner en étage interne ou externe, cependant nous ne considérerons ici que l'étage

externe, l'étage interne devant être certainement sacrifié pour des problèmes de guidages et de

transmission du mouvement. Avant cette étude, le moteur trilobique était présenté comme un

moteur à couple constant.

A.V.T pense avoir décelé dans ce moteur un certain potentiel commercial, et c’est la

raison pour laquelle l’étude que j’en ai faite est plus précise que pour les autres solutions

motrices envisagées. En effet, si ce moteur présentait une capacité supérieure à d’autres il

était important de la déceler au plus vite.

Il fait partie de la famille des moteurs volumétriques à piston rotatif. Mais, le centre de

rotation n'étant jamais fixe, nous le qualifierons plutôt de moteur volumétrique à piston

"pseudo-rotatif".

De façon à mieux comprendre son mode de fonctionnement, nous allons expliquer ici

sa définition géométrique dans sa configuration de base. En effet, certaines propositions de

modification ont été faites depuis la création du moteur, mais cela entraîne de fortes

complications théoriques, et nous étudierons donc pour le moment uniquement la version

d'origine en étage externe.

Pour construire géométriquement ce moteur, nous partons de deux cercles de même

rayon, ayant un entraxe égal à ce rayon.



La partie ici représentée en vert est alors le noyau, guidant le glissement du piston

trilobique que nous allons définir maintenant.

Pour construire le piston, nous construisons deux autres cercles, concentriques aux

deux premiers mais de rayon supérieur, puis une troisième paire, ayant pour centre une des

intersections des deux premiers cercles. Sur le dessin ci-dessous, les points rouges

représentent les centres des différentes paires de cercles.

Ensuite, il ne reste plus qu'à construire les bords de la chambre externe, en réalisant

deux cercles ayant les mêmes centres que les deux arcs de cercle ayant permis de construire le

noyau. Le rayon de ce cercle correspond à la longueur indiquée en violet sur le schéma ci-

dessous. Cette longueur est celle permettant au piston de tourner autour de son centre de

rotation du moment librement mais avec une étanchéité entre la chambre externe et le piston.



b. Principe de fonctionnement à l'heure actuelle :

A l'heure actuelle, le principe de fonctionnement du moteur trilobique est le suivant :

� On part d'une chambre de volume nul, que l'on branche à l'admission. Ce volume se

remplit à pression constante alors qu'une autre chambre s'est vidée quasi

instantanément à l'échappement. Pendant ce temps, la troisième chambre reste pleine

et à volume constant.

� La différence de pression existante entre la chambre à l'échappement et la chambre à

l'admission entraîne un déplacement (variation de volume) de la pièce mobile, le

"piston" trilobique.

� L'existence d'un bras de levier (que nous calculerons plus tard) entre la résultante des

forces de pression et le centre de rotation crée un couple sur la pièce mobile.

60°



� Lorsque la chambre d'admission est complètement pleine et à son volume maximal et

que la chambre d'échappement est à volume nul, on a alors un échappement de la

chambre "morte" jusque-là et un nouveau cycle d'admission. On a alors exécuté un

sixième de tour.

c. Améliorations à apporter

A partir de la description précédente du cycle du moteur trilobique, nous allons

pouvoir projeter le cycle de chacune des chambres dans le diagramme (P, v) de Clapeyron.

On se rend compte qu'on a alors deux isobares et deux isochores : le cycle est

comparable aux premières machines à pistons à vapeur sans système d’admission, d’où

l’obtention d’un couple constant. En effet, le différentiel de pression dans le moteur est

constant au sein du moteur si aucune commande d’amission n’est réalisée.

Diagramme de Clapeyron du cycle actuellement réalisé

On a donc une consommation importante de vapeur car on n'utilise pas la détente de

façon motrice. En effet, si on prend par exemple sur l'isobare P2 (segment 1-2) un

remplissage à seulement la moitié du volume, le gaz contenu dans la chambre continuera de

pousser en se détendant dans la chambre, mais nous consommons moitié moins de débit pour

une perte d'environ 15% au niveau du travail d'après ce qu'on peut trouver dans la littérature

mais nous considérerons une perte de 25% pour prendre le cas le plus défavorable.

P2

P1

V2V1

P

v

2 1

3 4

A



Cependant, en ne remplissant que la moitié de la chambre, par exemple, et en utilisant

ainsi la détente inexploitée jusqu'alors, on aura un travail 1,5 fois plus important : on a une

possibilité de :

2*0,75*A=1,5*A

Diagramme de Clapeyron avec blocage de l'admission à mi-remplissage

Le segment (2'-3) du diagramme ainsi obtenu (ci-dessus), correspond à la détente

adiabatique, et respecte la loi Pvχ= Cste. Mais pour réaliser un tel cycle, il faut concevoir tout

un système d'admission et d'échappement ce qui entraînera donc une complication du

système. Cependant, nous savons que cela est réalisable puisque de tels systèmes d'admission

existent sur les moteurs à pistons.

De plus, il est clair que le couple récupéré pour le moment ne s'applique pas suivant un

axe fixe. En effet, le centre de rotation n'étant pas le même pour chaque phase du cycle, on se

rend compte que celui-ci décrit un mouvement patatoïde.

Pour répondre à ce problème, il est proposé de faire

varier l'entraxe de façon à insérer deux étoiles à trois branches

récupérant le mouvement et le revoyant à l'aide d'un système

d'engrenages.

P2

P1

V2V1

P

v

1 2

34

2’



Nous allons maintenant chercher à calculer la répartition du couple théorique

récupérable sur la durée d’un cycle de façon à comparer le résultat obtenu avec un moteur à

piston de même cylindrée. Deux types de moteur à pistons seront analysés :

− les moteurs à pistons plus bielle/vilebrequin

− les moteurs à pistons linéaires (observation de la force récupérée)

d. Calcul du couple appliqué en fonction de la pression

On rappelle que la résultante des forces de pression exercées sur un arc de cercle

correspond à la même pression multipliée par la surface décrite par la corde de l'arc appliquée

perpendiculairement à cette corde et en son milieu :

Nous allons tout d'abord chercher à calculer le couple appliqué par la pression sur le

piston.

On sait que ce couple est dû à la pression existant dans chacune des chambres. En

réalité, si l’on regarde la chambre "morte" c'est-à-dire celle qui n'est en contact ni avec

l'admission ni avec l'échappement, on voit que les résultantes des forces de pressions sont

dirigées de façon symétrique par rapport au centre de rotation. Ainsi, la chambre morte n'a pas

d'effet sur le couple recueilli à l'aide du piston car il y a auto-compensation des couples

exercés par chacun de ses lobes. Regardons de plus près les autres résultantes.



On considère sur le dessin ci-dessus que :

• La chambre rouge sera la chambre morte, sous "haute pression détendue"

• Le point orange représente le centre de rotation du piston pour le sixième de

cycle à venir

• La pression d'admission vient de la flèche rouge

• La chambre bleue est à la pression d'échappement

On remarque donc tout de suite que :

• Seul le lobe pointé sur le dessin par la flèche rouge fournira un couple. En

effet, l'autre lobe de la chambre d'admission a pour centre le point de rotation

(point orange). Donc, le couple fourni par cette paroi sera nul. De même, la

chambre à la pression d'échappement ne produira un couple que par un de ses

lobes.

• De part ces observations, on peut dire que le couple sera proportionnel au

différentiel de pression existant, car le bras de levier des deux lobes produisant

un couple est le même par symétrie.



Il nous faut maintenant déterminer la longueur de corde (jaune) et le bras de levier

(vert fluo) pour pouvoir déterminer le couple.

Pour ce qui est de la longueur de corde, elle est égale au rayon extérieur du piston de

par la construction (démonstration par géométrie paramétrique).

Pour le bras de levier, mettons-nous dans un cas où l'épaisseur du piston est

importante, de façon à bien voir ce qu'il se passe :

On notera R rayon extérieur et r rayon intérieur, P la pression et h la hauteur du moteur. Sur le schéma ci-dessus, M et le milieu du segment [AB]. De plus, AB = R. La longueur que l'on recherche est CP. Or, on aura CP = MB+BN (N projection de C sur la droite (AB). Il nous faut donc déterminer la longueur BN.

On sait qu'on peut calculer la longueur AC=L= ²²2

3 rRr ++

De plus CB = R

En appliquant le théorème d'Al-Kashi, on obtient l'angle )²2

²2²arccos(

R

RLABC

−−=

On pose alors ABC−= 0θ Donc, BX = )cos(θR

A M B

C P

N



D'où, PC = R�12

−��3�

r2��R2− r 2�

2

− 2R2�

− 2R2 �on a donc l'expression du bras de

levier rechercher. Remarque :

Avant de calculer cette formule, la formule utilisée était C= P.h.R.rce qui était une première approximation relativement correcte, mais qui nous menait à des valeurs aberrantes (rendement théorique supérieur à 1 dans certains cas). Il a donc fallu calculer la valeur exacte de façon à pouvoir comparer efficacement le moteur à pistons et le moteur trilobique.

e. Calcul du volume de chambre Pour pouvoir parler de cylindrée équivalente, il nous faut pouvoir déterminer la

cylindrée d’un moteur trilobique pour un couple de rayons et une épaisseur donnée. Or, pour

calculer le volume de chambre, il nous faut calculer l'aire de génération de celle-ci.

Cependant, on remarque vite que cette surface est relativement complexe. Le calcul se

décompose donc en une succession d'additions et de soustraction d'aires basiques. Ci-dessous,

l'aire en rouge correspond à celle que l'on désire calculer.

On calcule donc en premier lieu l'aire verte de ci-dessus, puis, on calcule l'aire jaune et

finalement la bleue pour arriver à celle souhaitée.



Calcul de l'aire verte :

Pour calculer l'aire verte représentée ci-dessus, il suffit de déterminer l'angle sur lequel

s'étend cette partie de cercle. Pour cela, nous considérons deux triangles dont nous

connaissons la longueur des trois côtés. A partir du théorème d'Al-Kashi, on peut alors

déterminer ces angles.

Nous avons précédemment calculé la longueur L, ici représentant la longueur AC. En

effet, on retrouve la formule énoncée précédemment grâce aux triangles DIC et ADI :

Par construction nous avons les longueurs connues suivantes :

AD = R CI = R2

3

DC = r DI = r/2 DB = r BI = r/2 DE = R CE = R Nous recherchons l'angle EDA Or, CDEADCEDA −−= π2 De plus, on sait que :

θ=−

−−= )²2

²²²arccos(

R

RrLADC

α== )2

arccos(R

rCDE

Ainsi, l'aire verte est égale à :

Averte = R2 ADE2

A B

D C

E

I



Calcul de l'aire jaune : On réalise cette fois-ci deux fois ce que nous avons réalisé ci-dessus, mais avec des angles, des centres et des rayons différents.

Dans un premier temps nous calculons donc l'aire ici (rouge + orange), dont on

soustrait l'aire orange pour obtenir l'aire rouge.

L'angle nécessaire est égal à ( ADC22 −= πγ ) par symétrie.

La longueur L2 est égale à )cos(²2²2( γRR − = ))cos(1(2 γ−R (L'application

numérique donne la longueur).

L'aire rouge est alors égale à :

Arouge = )2

cos(2

2

2

² γγ RLR −

Calculons maintenant l'aire jaune finale en réalisant le même protocole mais en partant

d'un autre centre et avec un autre rayon.

L2



rr

RCD2

3)²

2(² −−=

Cette fois-ci, notre rayon est égal à la longueur L. On a vu précédemment que le

triangle ici en vert pâle est en fait un triangle équilatéral. Cependant, on peut le vérifier par un

calcul supplémentaire, en calculant l'angle de l'arc. Appelons cet angle ξ. On a alors :

)²2

²2²2arccos(

L

LL

−−=ξ

Nous avons donc l'aire marron qui est égale à :

Amarron = )cos(2

2

2² ξξ

LL

L −

Et finalement, on obtient ainsi l'aire jaune égale à Arouge-Amarron.

Calcul de l'aire bleue : Pour calculer cette surface, il est plus facile de refaire une autre figure :

Calculons d'abord l'angle BCD :

βθαπ =+−= ))(2(2

1BCD

On a aussi : rCO2

3=

)²2

(²r

ROD −=

)cos(..2²²² βCDRCDRBD −+=

A

C D

O

B



On peut ainsi calculer l'angle :

)²2

²2²arccos(

R

RBDBAD

−−== χ

D'où, l'aire d'une portion de disque (grise) : = ²2

Rχ

Et l'aire du triangle ABD : = )²)2

(²(2

BDR

BD −

Calculons maintenant l'aire du triangle violet :

Soit λψζ

χπζ

=−=

−==

CBD

ABD2 avec )

²2

²2²arccos(

R

RrABC

−−== πψ

On a alors l'aire du triangle BCE directement par : =

2sin²

λBD

L'aire bleue de la page 10 vaut donc :

Ableue = )2

sin(²)²2

(²2

²2

.(2λχ

BDBD

RBD

R +−− )

On a donc calculé l'aire de génération de la chambre. Nous utilisons maintenant toutes

ces formules dans un tableur de façon à pouvoir tirer des conclusions et à comparer les

couples obtenus.

f. Bilan sur le trilobique

A partir des calculs réalisés ci-dessus et en partant du principe que l’on met en place

un système permettant de limiter l’admission de vapeur à X% du volume de chambre complet,

on réalise sous Excel un classeur de calculs permettant de calculer la répartition du couple

pour des moteurs bielle manivelle et pour un moteur trilobique, ainsi que pour un moteur

linéaire à piston, tous de même cylindrée.



Les données à mettre en entrée sont :

• Taux d’admission

• Différentiel de pression (considéré comme la pression relative de la vapeur)

• Longueur de bielle

• Rayon du vilebrequin

• Pour le trilobique : rayons interne et externe

Les courbes suivantes ont été obtenues avec un taux de remplissage à l’admission de

50%. Bien qu’un seul exemple ne fasse pas loi, ici ce simple jeu de trois courbes permet de

tirer des conclusions intéressantes (d’autres cas ont été « simulés » mais cela ne présentait pas

d’intérêt).

0 0,060,03 0,09

0,120,15

0,180,21

0,240,27

0,30,33

0,360,39

0,420,45

0,480,51

0,540,57

0,60,63

0,660,69

0,720,75

0,780,81

0,840,87

0,90,93

0,960,99

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

Force suivant course en moteur piston linéaire

% de la course

Fo

rce

0 0,060,03 0,09

0,120,15

0,180,21

0,240,27

0,30,33

0,360,39

0,420,45

0,480,51

0,540,57

0,60,63

0,660,69

0,720,75

0,780,81

0,840,87

0,90,93

0,960,99

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Couple moteur en fonction de la course

Course relative

Co

upl

e e

n N

m

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Couple pour l'étage externe d'un trilobique sur un tour

Angle en rad.

Co

up

le e

n N

m



On voit clairement une similitude entre le trilobique d’une part et le piston linéaire

d’autre part. Ce qui est totalement normal puisque les deux courbes sont proportionnelles à la

pression régnant dans l’enceinte et que dans les deux cas, la variation de volume est linéaire,

respectivement à la course et à l’angle de rotation, pour le piston linéaire et le trilobique (on

rappelle que la pression dans la chambre après arrêt de l’admission suit la loi Pvχ=Cste).

Finalement, on remarque que le moteur trilobique ne présente pas les avantages

escomptés préalablement. En effet, le bilan est plutôt négatif pour ce qui est de son usage dans

le cadre d’un cycle à vapeur tel que celui qu’on recherche :

• Le couple n’est pas particulièrement constant

• Le développement du système d’admission reste à réaliser ainsi que d’autres

points techniques

• La transmission de puissance est encore à finaliser

• Aucune pièce n’est commercialisée pour le moment

• Les étanchéités seront difficiles à réaliser

Il semble donc peu judicieux d’utiliser ce type de moteur dans notre système, compte

tenu de la fiabilité et de l’objectif de coût recherché.

Le moteur trilobique étant écarté, il reste à étudier les autres possibilités se présentant

à nous.

g. Solutions motrices envisagées

Les solutions envisagées pour servir de moteur à notre cycle ne sont pas nombreuses,

et peu semblent finalement pouvoir être utilisées. Nous allons ici réaliser un bref récapitulatif

de façon à pouvoir faire une présélection.

• Moteur à piston (sans bielle et vilebrequin) :

Moteur robuste, bien connu, mais nécessitant le fait de trouver une génératrice

électrique linéaire elle aussi.

• Moteur à piston avec bielle et vilebrequin :

Moteur robuste, bien connu, largement commercialisé même si quelques

modifications seront nécessaires pour le passer sous forme de moteur à vapeur.

Peut s’adapter à une génératrice électrique rotative, mais le rendement en

détente de vapeur semble à confirmer d’après la littérature.



• Moteur de Stirling :

Ce moteur à combustion externe nécessite à l’heure actuelle de gros ∆T, ce qui

n’est pas notre cas.

• Turbine :

Les turbines à vapeur sont bien connues aujourd’hui mais présentent également

quelques inconvénients, et notamment lorsqu’on tombe dans des unités de

faibles puissances comme ici. Il faudra surveiller les problèmes de cavitation,

de coût de réalisation, de solidité mais également le problème d’accouplement

à générateur car la vitesse de rotation d’une turbine peut être très élevée,

souvent supérieure à 30000tr/min, ce qui nécessite un réducteur et donc

d’autres pièces en mouvement.

Finalement, les deux solutions retenues pour le moment sont donc le moteur à piston

et les turbines. Pour le moment, leur étude est restée pour nous bien plus succincte que celle

du trilobique. Cependant le choix définitif ne pourra se faire que lorsqu’on connaîtra les taux

d’humidité de la vapeur de notre cycle et la température maximale que l’on pourra atteindre.

C’est donc tout naturellement que nous allons maintenant présenter l’étude du cycle

thermodynamique envisagé.

3. Etude de différents cycles thermodynamiques

L’étude des cycles thermodynamiques consiste essentiellement pour nous à répondre à

quatre questions :

• Quel fluide semble le mieux destiné à notre cycle ?

• Peut-on envisager un cycle binaire (deux cycles en série) ?

• Peut-on envisager un cycle de Hirn (décrit ci-après) ?

• Comment trouver un moyen simple de connaître le rendement

thermodynamique de notre cycle suivant les différentes températures obtenues

(température maximale et température minimale) ?

Certaines de ces questions peuvent paraître surprenantes mais chacune d’entre elles a

une raison bien précise. C’est ce que nous allons voir maintenant.



a. Rappels sur les cycles thermodynamiques

Avant d’exposer l’étude plus précise des cycles thermodynamiques envisagés, nous

allons ici réaliser un bref rappel des deux principaux cycles envisageables dans notre cas, à

savoir le cycle de Rankine et le cycle de Hirn.

• Cycle de Rankine

Le cycle de Rankine est en quelque sorte le cycle « de base » d’une installation à

vapeur. En effet, le schéma de principe pouvant décrire un tel cycle est le suivant :

Ce cycle peut être décrit dans un diagramme entropique (T,s) à l’aide de cinq étapes :

• 1-2 : compression adiabatique du liquide

• 2-3 : chauffage isobare du liquide

• 3-4 : évaporation isobare et isotherme du liquide

• 4-5 : détente adiabatique de la vapeur (accompagnée d’une

condensation partielle)

• 5-1 : condensation totale de la vapeur à température et pression

constante

Bien sûr, ces transformations successives ne correspondent pas totalement à la réalité

mais permettent une bonne approximation de départ. En effet, en régime permanent, la

compression sera assez rapide pour être considérée sans échanges avec l’extérieur dans le

cycle réel mais il ne s’agit cependant que d’une approximation. Le chauffage ne devrait pas

changer de façon notable la pression vue que l’eau sera déjà pressurisée par la pompe.

Générateur de vapeur

Condenseur

Turbine à vapeur

Pompe

1

2

4

5

Schéma de principe d’un cycle de Rankine



L’évaporation se fera bien à pression et température constante. En ce qui concerne la détente

adiabatique de la vapeur, il faudrait mieux connaître le système qui récupérera l’énergie

mécanique que fournira cette détente pour pouvoir considérer la similitude. Nous admettrons

donc pour le moment que l’on peut considérer la détente comme adiabatique. Pour la dernière

partie, nous considérons également une équivalence avec la description que nous donne

Rankine.

L’avantage d’une telle description est qu’elle permet de calculer le rendement

thermodynamique (on entend par là le rendement sans prendre en compte les différentes

pertes réelles comme les fuites, les pertes mécaniques, les défauts d’isolation thermique etc.)

de façon relativement simple à l’aide d’une projection dans un diagramme entropique du

fluide considéré. Le diagramme entropique est un diagramme ayant en abscisse l’entropie s

d’un fluide et en ordonnée sa température T. Y figurent également la courbe de saturation de

la phase liquide, de la phase gazeuse et différentes isobares. La projection a lieu comme suit :

• Placement du point 1 :

Le point 1 représente l’état du liquide en sortie de condenseur. Pour le

positionner sur le diagramme, il suffit de connaître la température du

condenseur et de placer le point 1 sur la courbe du liquide saturant.


Le point 2 est le résultat d’une compression adiabatique réversible, donc

isentropique. Le point 2 se trouve sur l’isentrope passant par le point 1 mais à

haute pression (pression du générateur de vapeur). Lorsqu’on calcule l’écart de

ce point par rapport au point 1 sur l’axe de la température, on se rend compte

que le ∆T est très faible, de l’ordre de 0,05K. On considérera donc pour notre

cas le point 1 et le point 2 confondus (calculs en annexe XIV).


Le point 3 se trouve sur la courbe du liquide saturant, à la température du

générateur de vapeur (pour nous 200°C).


Le point 4 se trouve à la même pression et à la même température que le point

3 mais sur la courbe de la vapeur saturante.




Pour la détente, nous nous retrouvons dans le même cas que pour la

compression ; à savoir une détente adiabatique réversible, que l’on peut donc

dire isentrope. Le point 5 se trouve donc sur la ligne isobare de basse pression

(du point 1).

• Cycle de Hirn

Le cycle de Hirn correspond à un cycle de Rankine dans lequel la vapeur obtenue au

point 4 est surchauffée. Ainsi, cela permet d’obtenir une détente de la vapeur sans que celle-ci

ne devienne humide, ce qui améliore nettement le rendement réel en évident notamment les

problèmes de cavitation. Cependant, cela nécessite de monter encore plus haut en température

et un échange de plus avec une phase gazeuse. Pour le moment, n’ayant aucune connaissance

des qualités d’échange que l’on pourra obtenir, nous nous cantonnerons à l’étude du cycle de

Rankine, sans oublier bien sûr la possibilité d’un cycle de Hirn si la configuration réelle le

permet.

1 et 2

3 4

5

Exemple de projection d’un cycle de Rankine en rouge et de Hirn et Bleu dans un diagramme entropique



b. Utilisation de l’éthanol : cycle binaire ou cycle classique

• Justification du choix de l'éthanol comme fluide potentiel

Si notre attention s'est portée sur l'éthanol comme potentiel fluide moteur pour le

système à cycle de Rankine que nous étudions, c'est par l'étude de systèmes comparables, et

notamment par celui proposé par BMW sur plusieurs pages internet. En effet, plusieurs

articles présentent un système à l'étude appelé Turbosteamer fonctionnant comme suit :

1. Le gaz d'échappement à haute température (système étudié pour un moteur

essence) chauffent un circuit d'eau, la faisant ainsi monter jusqu'à une

température de 500°C (on a dépassé la température critique, il n'y a donc plus

d'eau que sous forme de vapeur).

2. On utilise cette vapeur comme fluide moteur dans un premier système moteur,

en la faisant se détendre jusqu'à une température de 105°C.

3. Cette eau "froide" sert alors de source chaude à un autre circuit parallèle, ayant

cette fois-ci comme fluide moteur de l'éthanol.

On a donc un système à deux étages fermés, l'un d'eau l'autre d'éthanol.

Bien que les articles ne donnent pas plus de détails que ce qui est présenté ci-dessus, la

raison supposée d'utilisation de l'éthanol dans un second étage est d'éviter la condensation

dans le premier cycle, celui de l'eau, ce qui permet ainsi d'utiliser une turbine si besoin est

mais surtout de diminuer de beaucoup les pertes potentielles dues à cette condensation.

Cependant, on retrouve sur les schémas

de principe distribués par BMW une zone de

surchauffe laissant supposer l’utilisation d’un

cycle de Hirn. Pour notre cas, nous nous

cantonnerons au cycle de Rankine, car les

températures de gaz sur le moteur diesel que

nous étions sont bien inférieures à celles d’un

moteur essence BMW. Schéma de principe BMW



• Quelques caractéristiques de l'éthanol

Pour mieux comprendre le choix de l'éthanol dans le second cycle, il faut considérer

quelques-unes des caractéristiques de l'éthanol qui permettent de bien comprendre ce choix :

• Température d'ébullition à pression atmosphérique : 78,4°C

• Pression de vapeur saturante à 100°C : 2,25bar (utilisation de la régression

d'Antoine)

• Chaleur latente de vaporisation : 2720J/kg.K à 40°C/environ 3300J/kg.K à

100°C

• Masse molaire : 0,046g/mol (C2H6O)

• Température d'auto-inflammation : 420°C

On voit donc qu'en montant de l'éthanol à seulement 100°C, on obtient déjà une

pression de 2,25 bars.

� Comparaison des rendements potentiels

� Utilisation de l'éthanol en cycle principal : On pourrait dans un premier temps se dire que la faible chaleur latente d'évaporation

est un avantage pour nous. En réalité, il n'en est rien, car si cette chaleur latente est faible,

l'augmentation de volume l'est tout autant, ce qui nous amène à un bilan quasiment nul si on

compare l'eau et l'éthanol avec un même apport énergétique et une même pression de sortie.

273279

285291

297303

309315

321327

333339

345351

357363

369375

381387

393399

405411

417423

429435

441447

453459

465471

477483

489495

501507

513519

525

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pression de vapeur saturante en fonction de la température pour l'éthanol



La chaleur spécifique de l'eau est d'environ 4,3 kJ/kg.K sur la plage de 40 à 200°C : les

variations sont faibles et on considère donc cette valeur comme constante sur tout le temps de

chauffe.

Pour ce qui est de l'éthanol, cette valeur varie de 2,7kJ/kg.K à 4,66kJ/kg.K sur la plage

de 40 à 160°C.

Remarque :

On remarque que les températures hautes considérées ne sont pas les mêmes

pour l'éthanol et l'eau. En effet, nous avons pris des valeurs correspondantes à

une même pression de sortie de 15bar environ. Or, l'éthanol est à une pression

de 15bar pour une température de 160°C et non 200°C comme l'eau.

L'allure de l'évolution de la chaleur latente de l'éthanol en fonction de la température

est la suivante : (abscisses : température en °C, ordonnées : Chaleur spécifique en kJ/kg.K

On rappelle également que l'évaporation se fait à pression et température constantes

mais que nous avons besoin de connaître la chaleur spécifique des fluides sur toute la phase

de chauffe à pression constante également (hypothèse) pour pouvoir quantifier l'apport

énergétique nécessaire.

C en J/kg.K en fonction de T en K

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

273 293 313 333 353 373 393 413 433



Compte tenu de la forme de la courbe de chaleur spécifique en fonction de la

température pour l'éthanol, on considérera deux zones pour cette première partie :

• une partie constante à 2,75kJ/kg.K

• une partie linéaire passant par les points :

• 80°C; 2,75kJ/kg.K

• 160°C; 4,66kJ/kg.K

Si on considère maintenant un apport de chaleur Q sur tout le temps de chauffe à

pression constante, on appelle Ci la chaleur spécifique de la substance i, mi la masse à

chauffer et évaporer de substance i, Lvi la chaleur latente de vaporisation sous 15bar du fluide

i, T1 la température initiale et T2 la température finale avant et pendant vaporisation.

On a alors :

+=+= ∫∫

2

1

2

1

T

T

iiii

T

T

iiii LvmdTCmLvmdTCmQ car on veut évaporer toute la

masse entrante (régime établi).

La température T2 dépendra du fluide considéré.

Pour ce qui est de T1, on se fixe une même pression d'échappement, pression

correspondante à la température de 50°C pour l'eau, à savoir 0,12335 bar. On aura alors une

température T1éthanol = 33°C = 306 K.

Nos inconnues sont donc les mi. En réalité, nous allons juste chercher à comparer le

rapport entre les différents volumes suivant le fluide choisi. Ainsi, nous aurons le produit PV

récupéré pour un même Q en entrée. De plus, il est pris comme hypothèse que le coefficient

de détente (rapport des chaleurs massiques à pression et volume constants) est le même pour

les deux fluides, car les deux gaz obtenus sont des gaz polyatomiques linéaires (χ = 1,3).



Si on récapitule :

EAU ETHANOL

T1 50°C=323 K T1 33°C = 306 K

T2 200°C = 473K T2 167 °C = 440 K

C 4,3 kJ/kg.K C

2,75 kJ/kg.K du 33°C à 80°C

{2,75 + 0,092625*(T-353} kJ/kg.K pour T

de 80°C à 167 °C

Lv 1945,24 kJ/kg Lv 611,14 kJ/kg

Remarque :

Pour calculer la chaleur latente de vaporisation, on utilise la formule :

βα )1)(exp( rr TTALv −−=

Avec :

KT

T

TT

molkJA

c

cr

9,513

04989,0

4475,0

/43,50

=

=

=−=

=

βα

D’où : Lv = 28,11kJ/mol = 611,14 kJ/kg.

On obtient ainsi, pour un même apport Q de chaleur :

Ainsi, on pourra évaporer une masse 2,4 fois plus importante d'éthanol que d'eau pour

un même apport de chaleur. Cependant, il reste à comparer les volumes de vapeur

correspondants à ces masses.

Pour calculer ces volumes, nous avons besoin des volumes massiques aux température

et pressions considérées dans notre cas.

meau

méthanol

= 1062,732590,25

= 0,41



Pour l'eau, on trouve aisément des tables contenant les valeurs recherchées. On obtient

un volume massique de vapeur pour l'eau à 200°C sous 15 bars de 127,2 L/kg.

Pour l'éthanol, il est difficile de trouver une table répondant à nos attentes. Nous allons

donc considérer une relation des gaz parfaits, malgré la pression relativement

élevée, qui nous amène à calculer :

Donc, en connaissant le volume massique de la vapeur d'éthanol à une pression et une

température de référence, on peut retrouver le volume massique à la pression et à la

température que l'on souhaite.

On a : à 1 bar et 20°C, v0 = 24,5L/mol => 532,61 L/kg

D'où, à 15 bar et 167°C : véthanol = 53,31L/kg

Pour valider le choix de cette formule, on calcule le volume massique de l'eau à partir

de celle-ci. On arrive à un volume massique de 141,7 l/kg, soit une erreur de 11% environ. Il

faudra tenir compte de cette erreur potentielle pour l'analyse de nos résultats.

On a donc,

meau=V eau

veau; méthanol=

Véthanol

véthanol;

V eau

veau

= 0,41V éthanol

véthanol

V eau

V éthanol

= 0,41veau

véthanol

= 0,41127,253,31

= 0,98

Donc, compte tenu des erreurs de calcul, il est impossible pour le moment de parler de

réelle amélioration due à l'utilisation de l'éthanol pour notre cycle principal.

v=T P0 v0

PT0



De plus, si on prend en compte le risque d'auto-inflammation, il n'est pas intéressant

d'utiliser de l'éthanol. Nous resterons donc sur l'utilisation de l'eau pour le cycle principal.

Reste à étudier l'efficacité d'un cycle secondaire à l'éthanol.

Remarques :

La pression de saturation en fonction de la température a été obtenue à l'aide

d'une régression d'Antoine.

La pression des valeurs ne permet pas une comparaison efficace et précise

mais donne une première idée.

� Utilisation en second étage :

Cette fois-ci, nous souhaiterions étudier l'utilisation de l'éthanol dans un étage

supplémentaire. Pour pouvoir utiliser un second étage, cela entraîne pour nous une

augmentation de la température de sortie du premier étage à vapeur d'eau, ce qui va donc

diminuer de façon significative notre rendement.

Cantonnons-nous aux rendements théoriques. En effet, partons d'un rendement η avec

notre seul cycle à eau (en rouge sur le diagramme, avant insertion du deuxième étage). On va

chercher à calculer le rendement η' lorsque l'on met un deuxième étage.

Si on prend le rendement du premier étage, on aura : η1 = (1-k)η (hachures).

Pour établir cette comparaison, on réalise les feuilles de calcul sous tableur. On donne

en entrée les températures maximale, minimale et intermédiaire (fin de première détente).

A partir de celle-ci, on se réfère à la formulation du rendement par le biais de

l'utilisation des enthalpies aux différents points du cycle de l'eau, car les valeurs des

enthalpies à la pression de saturation sont connues pour l'eau.

Pour l'éthanol, on calcule le travail par la formule W= ∫ PdV. On arrive ainsi à partir

de quelques valeurs et d'interpolation à obtenir une valeur relativement fiable du rendement

en considérant la chaleur d'entrée égale à 1 J.



Le rendement du cycle binaire total sera donc :

η'= η1 + (1 - η1 ) η2

En calculant η, η1, η2 et on pourra déterminer l'efficacité de l'utilisation d'un double

cycle.

Remarque :

Les valeurs trouvées sont entachées d'erreurs, notamment causées par les

interpolations parfois imprécises (notamment l'interpolation linéaire

concernant la chaleur spécifique). Cependant, en l'absence de valeurs précises

autres, cela donne une première idée relativement correcte.

La logique de calcul est la suivante :

On considère qu'on apporte une énergie thermique Q=1 J.

En régime établi, on évapore la même masse que celle de liquide rentrant, ainsi on

aura :

+= ∫

2

1

T

T

iiii LvmdTCmQ



En calculant le terme entre parenthèses à partir de valeurs et de formules trouvées dans

des tables, on détermine la masse d'éthanol évaporable à partir de l'énergie d'entrée.

A partir de cette masse, et connaissant la température (donc la pression de par la

formule

+−=

CT

BAP)(log10 avec A, B et C connus (site NIST)), on détermine le volume

correspondant.

En considérant le coefficient χ = 1,3 pour la loiPV χ= cste, on peut déterminer le

travail récupéré.

On obtient ainsi le travail W en J récupéré pour une chaleur en entrée de Q = 1J, ce qui

nous donne directement le rendement.

Ainsi, pour les gammes de températures que nous pouvons atteindre à partir de notre

système, on ne pourra pas augmenter le rendement (en tous cas le rendement théorique) de

façon significative, puisque l'augmentation maximale obtenue est de 6%.

On obtient les courbes de la page suivante, le premier graphe représentant le

rendement pour différentes températures minimales la température maximale étant fixée à

250°C et la température intermédiaire variant de 80 à 200 °C.

Le second graphe représente le rendement d'un cycle simple à eau pour différentes

températures maximales et en faisant varier la température minimale.



Graphe 1

Graphe 2

Comparaison des rendements à un cycle pou différent s couples de températures

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 20 40 60 80

Température de condensation

Ren

dem

ent

Tmax = 300°C

Tmax = 280°C

Tmax = 260°C

Tmax = 240°C

Tmax = 220°C

Tmax = 200°C

Tmax = 180°C

Tmax = 160°C

Comparaison des rendements pour un cycle simple à e au pour différentes températures maximales en fonction de l a température

minimale

Comparaison des rendements pour différentes tempéra ture minimale en fonction de la température intermédiaire et pour Tm ax = 250°C

0,25000

0,27000

0,29000

0,31000

0,33000

0,35000

0,37000

0,39000

0,41000

0,43000

80 100 120 140 160 180 200

Tintermédiaire en °C

Ren

dem

ent

Tmin = 30°C

Tmin = 40°C

Tmin = 50°C

Tmin = 60°C

Tmin = 70°C

Tmin = 75°C

Comparaison des rendements pour différentes températures minimales en fonction de la température et pour Tma x = 250°C



On peut constater de légères oscillations suivant la tendance globale sur le graphe 1.

Ces oscillations sont explicables par la formule : η'= η1 + (1 - η1 ) η2. En effet, lorsque η1

diminue, η2 augmente, mais de façon non proportionnelle, ce qui entraîne de légères

variations.

• Conclusion

En conclusion, on peut dire que le gain apporté par un cycle binaire eau-éthanol est

faible en termes de rendement théorique compte tenu des investissements financiers que celui-

ci impliquerait. De plus, on peut déjà augmenter le rendement en montant en température et

en descendant en température de condensation, cela entraînant là encore des coûts supérieurs

(plus forte pression, beaucoup de refroidissement au condenseur), mais étant tout de même

plus simple de réalisation qu’un cycle binaire.

Reste à considérer les rendements réels avec les problèmes de pertes par condensation,

par frottement, par rendement d'échangeur, par rendement du générateur, etc.

Rendements d'un cycle bianire eau-éthanol à différe ntes températures maximales, pour une même température minimale, en fonction de la température intermédia ire

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 50 100 150 200 250

Tmax = 250°CTmin = 50°C

Tmax = 350°CTmin = 50°C

Tmax=200°CTmin = 50°C



c. Réalisation d’une feuille de calcul de rendement thermodynamique

De façon à gagner du temps par la suite, la réalisation d’une feuille de calcul Excel

calculant le rendement thermodynamique d’un cycle simple ainsi que d’un cycle combiné a

été réalisée.

Les données à insérer en entrée sont simples, elles correspondent à trois températures :

• La température du point le plus chaud (nécessairement de l’eau)

• La température minimale obtenue

• Une température intermédiaire, servant à la fois de température froide pour le

cycle primaire et de température chaude pour le cycle secondaire en cas de

cycle binaire

Compte tenu des résultats énoncés précédemment, on peut se demander l’utilité

d’avoir gardé la possibilité de calculer le rendement pour un cycle binaire. En réalité, nous

avons trouvé préférable de garder cette possibilité car n’ayant pas encore une bonne

connaissance des températures auxquelles nous allons pouvoir travailler, il semblait plus

judicieux d’introduire dès maintenant l’option de calculer le rendement en cycle binaire. Qui

plus est, les courbes présentées ci-dessus découlent de cette application, liée à une macro

Excel, jointe en annexe aux pages 68 à 72.

Le protocole de calcul est le même que celui présenté précédemment. Cependant, pour

avoir une meilleure précision sur toute la plage de températures plausibles, les données ont été

rentrées manuellement pour ce qui est de l’eau, et ce à partir de la base de données Handbook

of Thermodynamic Tables and Charts. Cependant, pour l’éthanol, il a été impossible de

trouver de façon gratuite de telles données. Il a donc fallu procéder par interpolation avec les

quelques valeurs obtenues dans différents ouvrages.

Au final, une « application » très simple d’emploi a été obtenue, permettant de

déterminer très vite le rendement thermodynamique pour différentes températures (précision à

5°C près).

Un graphe en 3D ayant en abscisse la température minimale (ou froide) du cycle, en

ordonnée la température maximale (ou chaude) et en cote le rendement d’un cycle classique

de Rankine à eau. Ce graphique est donné à la page suivante.



On peut donc vérifier ici que le rendement est fonction de la différence de température.

Cependant, on remarque un léger « décrochement » au niveau de la température chaude égale

à 325°C. Ceci est dû à une particularité de l’eau à cette température, et cela peut donc, si on

peut atteindre cette température, s’avérer intéressant pour nous.

d. Conclusion

Pour le moment, le cycle de Rankine semble toujours le mieux adapté, mais nous

avons maintenant des outils pour pouvoir travailler. Mais sans données sur l’échangeur

thermique et les possibilités que celui-ci nous offrira ainsi que de bonnes campagnes de

mesures, il est impossible de se prononcer quant au cycle exact qui sera utilisé.

150

165

180

195

210

225

240

255

270

285

300

315

330

345

30 40 50 60 70 80 90

100

110

120

130

140

150

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,4-0,45

0,35-0,4

0,3-0,35

0,25-0,3

0,2-0,25

0,15-0,2

0,1-0,15

0,05-0,1

0-0,05

Rendement d’un cycle de Rankine pour l’eau et différentes températures extrémales



4. Limites actuelles : problème de l’échangeur thermique

a. Problématique des échangeurs thermiques

Nous l'avons vu plusieurs fois, notre système nécessitera la présence d'au moins deux

échangeurs :

• Un échangeur-évaporateur gaz d'échappement/Eau (ou autre fluide) pour

apporter de la chaleur au fluide moteur (l'eau)

• Un échangeur condenseur eau/eau servant de source froide à notre cycle

Dans un premier temps, nous nous intéresserons uniquement au premier de ces deux

échangeurs. En effet, on se rend vite compte de l'importance de cet échangeur, car c'est de lui

dont va découler :

• la température maximale du cycle

• le rendement global

• les possibilités de surchauffe ou non suivant le fluide

• la solution motrice alors la mieux adaptée

• l'encombrement du système (de par la taille de l'échangeur)

De plus, si on dresse un cahier des charges succinct pour cet échangeur, on se rend vite

compte que celui-ci ne sera pas facile à remplir :

• encombrement réduit

• maintenance faible malgré encrassement important dû à la suie des gaz

d'échappement

• "faible" différence de température entre fluide chaud et fluide froid

• rôle d'évaporateur

• pression côté fluide froid importante

• échangeur gaz/liquide : le gaz sera plus difficile à exploiter

• faible perte de charge du côté échappement (pour le moteur)

Il paraît donc évident que le choix de cet échangeur est crucial pour la suite du projet.

De plus, celui-ci sera à optimiser si on veut exploiter au mieux la source chaude qui nous est

proposée.



Lorsqu'on étudie d'un peu plus près les échangeurs, on s'aperçoit alors assez vite que le

domaine de travail est vaste. En effet, le nombre de paramètres intervenant dans le choix d'un

échangeur et/ou dans sa conception est très important, et l'est d'autant plus si on s'intéresse

aux moyens d'intensification de l'échange. On peut citer quelques exemples de paramètres à

prendre en compte :

• Type d'échangeur (coaxial, mono tubulaire, à plaques, à tubes et calandre,

etc...)

• Type d'écoulement dans l'échangeur (laminaire, turbulent)

• Contraintes de pression

• Contraintes d'encrassement

• Présence ou non d'ailettes

• Présence ou non de "perturbateurs" d'écoulement type spirale, étoile, etc...

• Rugosité des parois

• Porosité des parois

• Matériaux utilisés

• Corrosion

• Quel fluide de quel côté ?

Bref, cela se complique très vite, d'autant plus que les concepts de transferts

thermiques ou de mécanique des fluides associés sont rarement simples.

Nous allons donc dresser ici une première présentation des principales possibilités

rencontrées, d'une solution proposée par un industriel (la plupart des industriels étant

allemands dans le domaine des échangeurs thermiques), et de quelques solutions

d'intensification des échanges thermiques.

b. Les principaux types d'échangeur

Dans cette première partie nous allons aborder les principaux types d'échangeur que

l'on peut rencontrer. Il ne fait aucun doute que la liste ci-dessous ne sera pas totalement

exhaustive compte tenu de l'ampleur du domaine.



Bien qu'il existe des échangeurs à plaques, ceux-ci sont bien moins répandus que les

échangeurs à tubes. De plus, les échangeurs à plaques ne semblent pas spécialement destinés à

l'utilisation que nous souhaitons en faire. Nous présenterons donc ici les échangeurs à tubes.

Ceux-ci peuvent se présenter sous trois principales formes :

− Echangeur mono tube

− Echangeur coaxial

− Echangeur multitubulaire et parmi eux :

− les échangeurs à tubes séparés

− les échangeurs à tube rapprochés

− les échangeurs à tubes ailetés

− les échangeurs à tube et calandre

La figure ci-dessous, extraite d'un article de Techniques de l'ingénieur, nous donne

quelques illustrations des échangeurs cités précédemment.

Parmi ceux-ci, un premier tri peut être effectué :

• Pour avoir un entretien acceptable dans un encombrement qui l'est tout autant,

l'échangeur coaxial ne semble pas être une bonne solution.

• Les batteries à ailettes ne seront vraisemblablement pas efficaces au niveau de

Principaux types d’échangeurs thermiques, source : Techniques de l’ingénieur



l'encrassement, sauf si on insère un filtre en amont, mais cela sous-entend une

perte de charge supplémentaire.

C'est en fait, à première vue, un échangeur ressemblant grandement au système à tube

et calandre qui semble le mieux adapté à l'utilisation que nous souhaitons faire. En effet, le

système de calandre permet de tenir des pressions assez importantes, avec une bonne

compacité de par la présence de tubes multiples dans la calandre.

Cependant, même si nous considérons que ce choix est acquis, il reste à déterminer le

pas que nous choisirons (triangle ou carré), le nombre de passes, la géométrie des chicanes, le

type de calandre, le type d'extrémité avant, d'extrémité arrière, etc...

De plus, cela ne résout toujours pas le problème de l'encrassement, ni de la maîtrise des

écoulements pour améliorer le rendement. Tous ces procédés d'optimisation de l'échange sont

résumés ci-dessous.

Différents pas de tubes, source : Techniques de l’ingénieur



c. Quelques moyens d'intensifier l'échange au sein d'un échangeur

évaporateur

Bon nombre de techniques existent en ce qui concerne l'intensification des échanges

thermiques. On classe celles-ci dans les catégories suivantes :

• Revêtements (surface à revêtement poreux)

• Rugosité et porosité (structure poreuse intégrale, tubes à rugosité continue)

• Extension de surface (ailettes)

• Dispositifs à écoulement rotatif ou secondaire (insert de rubans torsadés)

• Dispositifs favorisant le mélange des filets fluides (ressorts)

• Surface à effet capillaire (tubes à rainures internes)

Parmi tous ces procédés, tous ne trouvent pas d'application dans le cas d'un

évaporateur, et quand bien même, il reste pour chaque cas à trouver la configuration optimale

par rapport aux fluides et conditions d'utilisation qui nous concernent.

Une présélection succincte permet tout de même de mettre en évidence quelques

intensifications éveillant plus l'attention que les autres, par exemple l'utilisation d'une surface

obtenue par frittage, de façon à obtenir un réseau de porosités convenable semble être une

piste à explorer. En effet, la présence de ce réseau de porosités facilite la création de la bulle

de vapeur et retarde l'apparition de certains problèmes comme la densité de flux critique ou

bien encore une couche d'assèchement. Cependant, cette porosité intervient également sur le

comportement tribologique qui existe entre le fluide et la paroi.

De plus, il semble que suivant la répartition des tubes, il est possible que l'optimisation

nécessaire soit différente suivant l'emplacement du tube. Par exemple, les tubes situés en bas

ou en haut du faisceau ne seront pas nécessairement optimisés de la même façon car ceux-ci

ne travaillent pas dans les mêmes conditions.

En résumé, il semble difficile de se cantonner à la théorie pour ce qui est du choix

optimal d'un échangeur, de même qu'il semble impossible de pouvoir faire un choix sans

l'aide d'une personne (au moins) d'expérience. Et pourtant, il semble également peu



stratégique de baser le reste de l'étude sur un mauvais échangeur car tous les résultats suivants

découleront directement, avec plus ou moins d'importance, du choix de l'échangeur.

d. Echangeur autonettoyant de chez Renzmann et Grünewald

Il semblait intéressant de présenter ici un échangeur proposé par une marque

allemande, Renzmann et Grünewald, car celui-ci présente l'avantage d'avoir était conçu pour

la récupération des fumées, notamment des gaz d'échappement d'un moteur diesel. Pour cela,

il est équipé d'un système autonettoyant qui lui permet de limiter l'encrassement.

On remarquera que le système adopté est un système à tubes et calandre. Des ressorts

sont insérés dans les tubes où passent les fumées. Ceux-ci s'agitent naturellement si le flux de

gaz varie ou bien sont commandés magnétiquement si la variation du flux est trop faible.

Cependant, il semblerait que cet échangeur ne soit pas conçu pour servir d'évaporateur. Une

demande d'informations a été envoyée, sans succès pour le moment.

e. Conclusion

Pour conclure cette présentation du problème que représente le choix de l'échangeur

"source chaude" de notre cycle, il semble clair que ce choix ne pourra pas se faire dans des

délais courts. En effet, la complexité d’un problème tel que celui-ci nécessitera un matériel



supplémentaire par rapport à celui qui est déjà en notre possession. Un logiciel de simulation

d’écoulements de fluides avec transferts thermiques serait déjà un premier pas important et

nécessaire avant de passer à l’étape du prototype. Cependant, il est clair que le travail avec un

thermicien spécialisé dans les échangeurs à changement de phase aurait été extrêmement

bénéfique. Mais, un autre problème qui pourrait se faire sentir est la localisation géographique

du savoir-faire, qui, semble-t-il, se trouve plutôt en Allemagne dans le domaine des

échangeurs thermiques. Bien sûr, l'utilisation de ressources telles que le GRETh (Groupe de

Recherche pour les Echangeurs Thermiques) sera tentée au maximum, notamment de par le

partenariat existant entre l'ADEME et le GRETh ainsi qu'entre l'ADEME et AVT. Pour le

moment, cette tentative est restée sans succès. De même, la prise de contact avec l'E.G.E.E

(Entente des Générations pour l'Emploi et l'Entreprise) n'a débouché sur aucun résultat tout

comme la société Gianonni (localisée à Morlaix) qui conçoit des échangeurs pour chaudières

à gaz mais qui a refusé de travailler avec nous. De même, la seule entreprise de vente qui nous

ait répondu nous a proposé un produit ne produisant de l'eau qu'à 80°C avec une chute de

température des gaz de seulement 100°C. Le document qu'ils nous ont fourni est en annexe

page 73 (les températures annoncées l'étaient par mail).



III - Perspectives de travail

La poursuite du projet étant entièrement dépendante des résultats obtenus pour

l’échangeur, les perspectives de travail pour la suite du projet sont essentiellement basées sur

la conception et l’optimisation de celui-ci. Ainsi, nous allons présenter ici les pistes de travail

qui ont été plus ou moins explorées, certaines étant déjà en train d’être mises en place, d’autre

étant uniquement au stade d’idée.

1. Logiciel de simulation

a. Raisons de la nécessité d'un logiciel de ce type

L'investissement dans un logiciel de simulation de mécanique des fluides avec

transferts thermiques peut ne pas sembler nécessaire au premier abord pour une entreprise

comme AVT. Cependant si on regarde de plus près les différents projets cités, en cours de

réalisation ou non, on se rend vite compte qu'un tel logiciel trouverait une utilité dans

plusieurs d'entre eux, notamment si ce logiciel peut être couplé à SolidWorks, software de

CAO déjà utilisé au sein d'AVT.

Plus précisément, les projets suivants pourraient ressentir le bénéfice d'un tel outil :

• Projet de récupération des pertes thermiques à l'échappement :

Pour mener à bien ce projet, il sera nécessaire de trouver ou de concevoir un

échangeur évaporateur. Cependant, à l'heure actuelle, cet échangeur n'a pas été

trouvé sur le marché. Il se pourrait donc qu'un travail de conception et

d'optimisation soit nécessaire. Or, il est clair que ce travail sera irréalisable

sans l'aide d'un logiciel tel que cité précédemment. De plus, l'étude de turbines

pourrait également être vue d'une manière plus sereine.



• Projet de Yacht Zéro CO2 à utilisation de pellets :

Bien que ce projet soit loin d'être concrètement lancé, il est évident que celui-

ci nécessiterait également l'utilisation d'un tel logiciel pour optimiser les

échanges thermiques, gérer les écoulements de fluides, etc...

• Projet Econologia :

Malgré la présence de bon nombre de partenaires dans ce projet, il serait peut-

être intéressant de pouvoir vérifier certaines données comme le design les

coques ou des voiles de façon indépendante. Le logiciel pourrait alors servir de

moyen simple et efficace de vérification sans pour autant rentrer dans la

conception.

• Dopage à l'eau :

Là encore, lorsqu'on parle régulièrement de théorie tournant autour de

l'utilisation de vortex, d'écoulements laminaires, turbulents etc., il semble

important de pouvoir clarifier certains points, et une simulation de qualité peut

parfois expliquer à moindre frais beaucoup de résultats jusque-là incompris.

Cependant, bien que plusieurs projets soient cités ici, il semble clair que le projet de

récupération des pertes thermiques est le seul qui ne puisse que difficilement se passer d'un tel

outil. En effet, l'échangeur étant le point clé de tout le système, le travail en collaboration

avec des concepteurs d'échangeurs ou bien la conception elle-même d'un échangeur est

maintenant indispensable.



b. Cahier des charges devant être rempli

Par rapport au projet pour lequel le logiciel pourrait être nécessaire, un bref cahier des

charges peut être dressé. Ainsi le logiciel devra pouvoir :

• Travailler avec des fluides compressibles et incompressibles

• Prendre en compte différents fluides (eau, gaz, fluides à caractéristiques

modifiables)

• Gérer automatiquement les écoulements laminaires et turbulents

• Coupler les transferts thermiques aux écoulements fluides

• Travailler au minimum en diphasique (de par le rôle d'évaporateur) =>

changements de phase

• Se coupler à une conception issue de SolidWorks/Catia de façon aisée

• Si possible permettre de travailler avec la rugosité et/ou porosité comme paramètre

du matériau

• Etre compatible avec le matériel déjà existant dans l'entreprise (notamment les PC)

• Si cela est possible, travailler en multi-fluides : gaz et eau à la fois (il faut vérifier

que cela existe)

c. Pistes de choix

A partir de ce premier cahier des charges, un premier tour d'horizon a pu être fait et

trois logiciels sont ainsi apparus comme potentiellement adaptés :

• Fluent

• EFD de Flomerics

• Cfdesign

Exemple de cartographie thermique obtenue avec EFD sur un échangeur thermique



Différentes demandes d'informations ont été envoyées, en attente de réponse.

Cependant, d'après la documentation disponible sur Internet, il semble que le logiciel EFD

soit totalement adapté :

• Prise en compte du modèle Vapeur

• Prise en compte de la porosité

• Etude de la cavitation

• Adaptable à des modèles SolidWorks

• Travail avec tout type de convection et couplée ou non à la conduction

Le coût d’un tel logiciel est de 25000$ puis 18% de ce prix tous les ans pour les mises

à jour lorsqu’il s’agit d’une licence privée pour entreprise. Cependant, ce logiciel peut

également être demandé en version d’évaluation pour une durée de trois mois lorsqu’il s’agit

d’une demande universitaire. C’est pourquoi, par l’intermédiaire de M. Burguière et compte

tenu du travail en collaboration avec l’I.N.S.A, cette version d’évaluation a été demandée. De

plus, lorsque l’achat du logiciel a lieu par une université ou une école supérieure, le coût

d’une licence pour une durée de trois ans est de 380$. Si le logiciel venait donc à être pratique

et adéquat, une piste serait à creuser de ce côté, notamment si le projet débouche sur une thèse

comme nous l’expliquerons plus loin. Mais pour le moment, nous nous cantonnerons à la

version de démonstration.

En attendant de résoudre se problème de logiciel nécessaire à la conception, nous

avons cherché d’autres éventualités pour continuer à avancer.

2. Montage expérimental prévu

Grâce à un de ces contacts, M. Glorennec a réussi à trouver pour le projet un moteur

diesel monté sur châssis qui pourrait nous être prêté par l’organisme le possédant. Bien que

nous n’ayons pas encore beaucoup d’informations concernant ce moteur, on peut déjà citer

quelques caractéristiques :

• Moteur diesel Lombardini

• 600cc de cylindrée

• Monté sur châssis



a. Principe du montage envisagé :

Sur le montage expérimental, il sera important de pouvoir faire différentes mesures

données sur le schéma ci-dessous, ainsi que de pouvoir commander diverses données :

• Alimentation en eau de l’échangeur : pompe de circulation réglable

• Puissance du moteur => Variation de la température des échappements =

régulation du couple et de la vitesse de rotation.

• Vanne pour régler l’échappement de la vapeur produite

• Prévoir une vanne de sécurité se déclanchant automatiquement en cas de forte

pression dans l’échangeur

Commande du couple et de la vitesse de rotation = de la puissance sous la forme voulue…

Vapeur Mesurer : Humidité Débit Température Pression

Eau « froide » Mesurer : Débit Température

Gaz en sortie Mesurer : Débit Température Pression

Gaz en entrée Mesurer : Débit Température Pression

Enceinte de l’échangeur Mesurer : Pression

Principe du montage expérimental



Bien que ce schéma soit pour le moment très simple, il permet déjà de tirer un premier

cahier des charges en ce qui concerne les capteurs qui seront nécessaires à ce montage. On

obtient donc rapidement :

• Thermomètres :

o Températures jusqu’à plus de 700°C

o Résistant à la vapeur d’eau et aux fumées

o Mesure sur des gaz

o Temps de réaction relativement court

• Manomètres :

o Pression faible (précision) et pression moyenne côté vapeur (jusqu’à 20 bars)

o Température du corps mesuré assez élevée : jusqu’à 600-700°C pour les gaz

o Supporte les vapeurs et les particules côté gaz

• Débitmètres :

o Pour gaz, fumée et vapeur

o Perte de charge minime côté gaz

o Température assez élevée (600-700°C)

o Différentes pressions de fonctionnement (plage large)

Pour ce qui est des thermomètres, aucun problème particulier ne se pose car on trouve

facilement un matériel répondant à nos besoins avec par exemple l’utilisation d’une simple

sonde K qui couvre une large plage de températures (de -200°C à +1200°C). Par contre, les

manomètres quant à eux seront certainement beaucoup plus problématiques, car les

températures de fonctionnement sont souvent inférieures à 70°C, ce qui sera donc difficile

pour la mesure des gaz d’échappement. Cependant, la marque Kistler vend des manomètres

conçus pour les mesures dans les chambres de combustion. Pour le moment nous n’avons

aucune information tarifaire mais cela sera à voir lorsque nous aurons plus avancé sur le

montage.



Quant aux débitmètres, ceux-ci seront certainement beaucoup plus compliqués à

trouver. En effet, il semble assez difficile de mesurer les débits, notamment sur des fumées,

chargées de particules et d’humidité, à haute température. Pour le moment aucune solution n’a

encore été trouvée et le problème est toujours en réflexion.

b. Pièges à éviter

Bien que le montage expérimental soit intéressant et sera nécessaire à un moment

donné du projet, il semble que certains pièges soient à éviter. J’entends par-là le fait que si

nous nous contentons d’expériences simples, nous risquons de ne tirer de celles-ci que des

conclusions que nous aurions pu connaître sans expériences comme par exemple l’importance

du régime turbulent, le fait d’utiliser des flux opposés, etc. Ainsi, ce montage ne sera

intéressant que si l’on passe directement par un prototype à l’échelle du moteur.

S’il est fait une remarque ici sur ce point, c’est parce que nous avons failli mettre en

place quelques expériences autres, mais qui ne nous auraient finalement rien apporté. Donc, il

semble plus judicieux de concentrer nos efforts et notre budget sur moins d’expérience mais

plus riches en acquisition de connaissance. Finalement, l’utilisation du montage expérimental,

bien que potentiellement riche d’enseignement, est à prendre avec précaution pour que celui-

ci soit réalisé correctement et que les résultats obtenus soient vraiment parlants.

3. Production de froid par absorption

Il s’agit ici d’un projet en parallèle du notre, mais qui peut s’avérer très intéressant de

suivre car celui-ci permet l’utilisation d’une énergie de « basse qualité » (la source chaude

pouvant être de l’eau à seulement 70 ou 80°C). En effet, la production de froid par absorption

est un concept, appliqué, qui permet de produire du froid à partir d’une source chaude avec un

rendement de l’ordre de 60-70%, c'est-à-dire que le cycle peut absorber en termes de chaleur

dans la zone refroidie, 70% de l’énergie apportée à la source chaude. Pour prendre un

exemple connu, ce cycle est celui utilisé dans les réfrigérateurs à gaz de camping-car

Electrolux.



Cet exemple est d’ailleurs très intéressant puisque dans ce cas, aucune pièce n’est en

mouvement sur l’appareil. En effet, bien qu’un cycle à absorption ne nécessite pas de

compresseur comme sur les autres réfrigérateurs, une pompe de circulation est habituellement

nécessaire. Mais Electrolux a remplacé cette pompe par de l’hélium, chimiquement neutre,

qui sert de circulant.

La description d’un cycle à absorption est relativement complexe. De plus, suivant le

couple réfrigérant utilisé (en général ces couples sont les couples ammoniac-eau et eau-

bromure de lithium), le cycle n’est pas exactement le même. Mais pour simplifier, le concept

est d’utiliser une affinité chimique qui existe entre deux fluides. Ainsi, la compression se fait

« chimiquement ». Un premier contact avait été pris avec le Pôle Cristal de Dinan, spécialiste

du domaine frigorifique. Dans le cadre de ce contact, la source chaude envisagée était le

liquide de refroidissement du moteur, liquide véhiculant une puissance importante et à une

température adéquate. En effet, la nécessité d’avoir du froid sur un bateau de pêche étant

importante, la production de ce froid par récupération de pertes serait plus que rentable.

Cependant, un des gros problèmes techniques existant encore pour ce projet est le fait

que les installations à absorption sont actuellement conçues pour être utilisées sans

mouvement et sur une surface parfaitement horizontale, notamment car ce cycle utilise la

gravité. Le travail nécessaire est donc d’étudier l’adaptabilité d’un tel système à un navire,

avec ce que cela entraîne en termes de roulis et de tangage.

Si ce projet est mentionné ici, c’est parce que celui-ci pourrait être utile dans notre

cycle suivant le coût des installations nécessaires en cas d’adaptabilité. En effet, on pourrait

imaginer ainsi soit produire du froid pour la climatisation ou bien les cales réfrigérées, soit

pour refroidir encore un peu plus la source froide de notre cycle de Rankine, ce qui

augmenterait d’autant plus le rendement de celui-ci.

Bien sûr, pour l’instant rien n’est envisagé et cela ne reste qu’une idée qu’il ne faut pas

mettre de côté trop rapidement.



4. Proposition de thèse

Il s’agit ici plus d’une remarque. En effet, il semblait important de mentionner le fait

qu’une thèse pour continuer ce sujet a été envisagée à plusieurs reprises. Bien sûr, cela sous-

entend de trouver un budget, un encadrant et un laboratoire. M. Glorennec a déjà pris contact

avec le laboratoire de l’I.N.S.A et vraisemblablement, la région Bretagne serait intéressée par

le financement cette thèse.

Pour le moment, rien n’a été officiellement signé et tout reste à définir, mais compte

tenu du contexte économique et politique actuel en ce qui concerne les économies d’énergie,

il semble intéressant de considérer cette opportunité avec une vive attention.

5. Conclusion

Finalement, bon nombre de pistes de travail sont envisageables et beaucoup de choses

restent à faire avant d’arriver à un produit abouti, optimisé et commercialisable. Cependant, il

ne faut pas oublier le potentiel commercial et économique que peut avoir ce genre de produit.



CONCLUSION

Finalement, ce stage me parait largement formateur pour ce qui est du poste

d’ingénieur. En effet, il m’a fallu appréhender les problèmes de financement d’un projet, avec

ce que cela entraîne en termes de ralentissement et de difficultés. De plus, le fait d’être seul

sur un sujet vaste m’a obligé à organiser mon travail en toute autonomie, à organiser ma

recherche documentaire, mais également à ne pas oublier, compte tenu de la nature du sujet,

de faire avec la réalité du terrain, de ne pas rester dans le domaine purement théorique, et de

trouver des idées pour aboutir à un produit commercialisable le plus vite possible.

Nous avons ainsi pu éviter de nous lancer dans un projet trop fastidieux par rapport

aux intérêts qu’il nous aurait apportés en évitant l’utilisation du moteur trilobique pour notre

cycle. Bien sûr, un travail important reste à réaliser, mais il ne semblait pas possible de toutes

façons de terminer en totalité ce projet en seulement quatre mois. Cependant, ce travail est

extrêmement motivant, les économies d’énergie étant aujourd’hui un point essentiel de

l’avenir économique, écologique et politique au niveau international.

L’approche thermodynamique, bien que relativement rare dans notre département

s’avère être passionnante malgré les difficultés qu’elle entraîne notamment de par la

complexité de certains principes qui n’ont pas nécessairement de ressenti naturel.

En bref, ce sujet semble bien mériter la thèse qui est envisagée, et ce de tous points de

vue, tant au niveau scientifique, qu’au niveau commercial et au moins autant au niveau

écologique. Là encore il nous restera un travail très important à réaliser mais sur un sujet très

prometteur, ce qui ne peut qu’encourager la poursuite de celui-ci.



Bibliographie Ouvrages : R.Vichnievsky Thermodynamique appliquée aux machines, Masson et Cie, Paris 1967 David R. Lide CRC Handbook of Chemistry and Physics 83rd édition, CRC Press, 2002

K. Raznjevic, Mc Graw Hill Handbook of Thermodynamic Tables and Charts, 1976 F. Meunier Aide-mémoire : Thermodynamique de l'ingénieur, Dunod, Paris, 2004 E. Koller Machines Thermiques,, Dunod, collection l'Usine Nouvelle, Paris, 2005

Traduit du Russe par M. Meury Mémento des pertes de charge Coefficients de pertes de charge singulières ou de pertes de charge par frottement, Eyrolles, Paris, 1999 P. Chassaing Turbulence en mécanique des fluides, Analyse du phénomène en vue de sa modélisation à l'usage de l'ingénieur, collection polytech, CEPADUES-EDITIONS, Toulouse, 2000

P. Chassaing Mécanique des fluides, Eléments d'un premier parcours – 2ème édition, collection polytech, CEPADUES-EDITIONS, Toulouse, 2000 J. Taine, JP Petit Transferts thermiques, Mécanique des fluides anisothermes, cours et données de base, DUNOD, Paris, 1998 L. Borel, D. Favrat, "Thermodynamique et énergétique – 1 De l'énergie à l'exergie", Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.



Articles « Techniques de l’Ingénieur » : A. Lallemand "Compression et détente des gaz et des vapeurs", Génie Energétique, 2004. A. Lallemand "Bilans entropiques et exergétiques", Génie Energétique, 2005. A. Lallemand "Premier principe. Energie. Enthalpie", Génie Energétique, 2004. A. Lallemand "Deuxième principe. Entropie", Génie Energétique, 2004. A. Lallemand, M. Feidt, R. Benelmir, "Analyse exergétique", Génie Energétique, 2002. M. Diot, "Capacités thermiques", Mesures physiques, 1993. J. Padet, "Nombre de Nusselt. Partie 2.", Génie Energétique, 2005. B. Pitrou, "Tuyauterie. Résistance des éléments. 1ère Partie", Mécanique, 2001. A. Bontemps, A. Garrigue, C. Goubier, J. Huetz, C. Marvillet, P. Mercier, R. Vidil, "Echangeurs Thermiques. Description des échangeurs", Energétique, 1995 A. Bontemps, A. Garrigue, C. Goubier, J. Huetz, C. Marvillet, P. Mercier, R. Vidil, "Echangeurs Thermiques. Intensification des échanges", Energétique, 1995 A. Bontemps, A. Garrigue, C. Goubier, J. Huetz, C. Marvillet, P. Mercier, R. Vidil, "Echangeurs Thermiques. Dimensionnement thermique", Energétique, 1995



Sites Internet http://webbook.nist.gov/

www.avel-vor.fr

www.funke.de

www.greth.fr

www.kimo.fr

www.kistler.com

www.moteurs-baudouin.fr

www.renzmann.de

www.sciences.univ-nantes.fr

www.techniques-ingenieur.fr

www.thermexcel.com



ANNEXES Documents techniques moteurs baudouin



Macro de la feuille de calculs Excel

Sub Graph() Dim counter, tempori counter = 1: tempori = 1 Do While Feuil7.Range("A" & counter).Value <> "" counter = counter + 1 Loop Do While tempori < counter tempori = tempori + 1 Feuil1.Range("D2").Value = Feuil7.Range("A" & tempori).Value Feuil1.Range("D4").Value = Feuil7.Range("B" & tempori).Value Feuil1.Range("D6").Value = Feuil7.Range("C" & tempori).Value Feuil1.Range("D11").Copy Feuil7.Range("D" & tempori).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Feuil1.Range("D24").Copy Feuil7.Range("E" & tempori).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False If Feuil7.Range("C" & tempori).Value = "" Then Feuil7.Range("E" & tempori).Value = 0 End If Loop End Sub



Sub Graph2() Dim counter, temp counter = 1: temp = 1 Do While Feuil8.Range("A" & counter).Value <> "" counter = counter + 1 Loop Do While temp < counter temp = temp + 1 Feuil1.Range("D2").Value = Feuil8.Range("A" & temp).Value Feuil1.Range("D4").Value = Feuil8.Range("B" & temp).Value Feuil1.Range("D11").Copy Feuil8.Range("C" & temp).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Loop End Sub *************************************************** ************************ Sub Max() Dim counter, tempo counter = 1: tempo = 0 Do While Feuil7.Range("A" & counter).Value <> "" counter = counter + 1 Loop Do While tempo < (counter - 1) tempo = tempo + 1 If (Feuil7.Range("C" & tempo).Value <> "") Then Feuil7.Range("E" & tempo).Value = 0



End If Loop ' Rendu des valeurs Feuil7.Range("H7").FormulaR1C1 = "=MAX(R[-5]C[-3]:R[tempo-5]C[-3])" End Sub *************************************************** ************************ Sub Plan() Dim counter1, counter2, temp1, temp2 counter1 = 1: temp1 = 1: counter2 = 1: temp2 = 1 ' Compteur de ligne Do While Feuil9.Range("A" & counter1).Value <> "" counter1 = counter1 + 1 Loop 'Compteur de colonne Do While Feuil9.Cells(1, counter2).Value <> "" counter2 = counter2 + 1 Loop 'Calcul rendement : For temp1 = 2 To counter1 - 1 For temp2 = 2 To counter2 - 1 Feuil1.Range("D4").Value = Feuil9.Range("A" & temp1).Value Feuil1.Range("D2").Value = Feuil9.Cells(1, temp2).Value Feuil1.Range("D11").Copy Feuil9.Cells(temp1, temp2).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Next temp2



Next temp1 End Sub *************************************************** ************************ Sub Debit() Dim counter1, temp counter1 = 1: temp = 0 ' Compteur de ligne Do While Feuil10.Range("A" & counter1).Value <> "" counter1 = counter1 + 1 Loop For temp = 2 To counter1 - 1 Feuil1.Range("D2").Value = Feuil10.Range("A" & temp).Value Feuil1.Range("C33").Copy Feuil10.Range("B" & temp).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Feuil1.Range("A36").Copy Feuil10.Range("C" & temp).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Feuil5.Range("H73").Copy Feuil10.Range("D" & temp).PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Next temp



Fiche technique de l’échangeur Bowman



NOM : AUTIER PRENOM : Erwin N° d’ordre : PFE 2008-03 DATE du JURY : 25 juin 2008 FORMATION : INGENIEUR I.N.S.A. de RENNES Option Génie Mécanique & Automatique TITRE DU MEMOIRE : ETUDE DE LA RECUPERATION DES PERTES THERMIQUES A L’ECHAPPEMENT D’UN DIESEL MARIN RESUME : Ce projet, mené au sein d’Avel Vor Technologies et dans les bâtiments de l’I.N.S.A de Rennes, a pour but l’étude de la récupération des pertes thermiques contenues dans les gaz d’échappement d’un moteur diesel de bateau de pêche, ce qui équivaut à un tiers de l’énergie contenue chimiquement dans le carburant consommé. Dans un premier temps, l’étude d’un moteur trilobique non encore développé nous a mené à la conclusion qu’il n’était pas judicieux de l’utiliser dans le cadre qui était le nôtre. Cette opportunité mise à l’écart, il a donc fallu aborder le point de vue thermodynamique. C’est ainsi qu’a été mis en place une feuille de calcul Excel permettant le calcul rapide et automatique d’un rendement de cycle de Rankine simple à eau ou bien binaire avec les fluides eau et éthanol. Finalement, au moment de la rédaction du rapport, le point d’avancement se limite aux recherches sur les moyens de conception d’un échangeur thermique qui sont moins simples que ce qu’il peut paraître aux premiers abords. MOTS-CLES : Moteur trilobique, Cycle de Rankine, Cycle binaire, récupérations thermiques, gaz d’échappement