Qu'est-ce qu'un moteur à combustion externe ?
Un moteur à combustion externe est un type de dispositif de conversion d'énergie qui fonctionne en produisant de la chaleur à partir d'une source externe, contrairement à un moteur à combustion interne où la chaleur est générée à l'intérieur du moteur lui-même. Cette chaleur est ensuite utilisée pour effectuer un travail utile.
Un moteur à combustion externe se caractérise par le fait que la source de chaleur est séparée du fluide de travail.
Notions de base sur les moteurs à combustion externe
Dans le monde de l'ingénierie, l'étude des moteurs à combustion externe est essentielle car ces moteurs jouent un rôle important dans de nombreux systèmes de production d'énergie. Pour commencer, la source de chaleur est externe au moteur, ce qui est très différent des autres formats de moteurs plus traditionnels où le carburant est brûlé à l'intérieur du moteur.
La chaleur du carburant est transférée à un fluide, tel que l'eau ou l'air. Ce fluide chauffé se dilate alors pour effectuer un travail mécanique. Le fluide est ensuite refroidi et le cycle se répète. Cette opération s'effectue généralement par le biais d'un processus cyclique.
Il est important de noter que les moteurs à combustion externe, malgré leur processus, peuvent également fonctionner avec une variété de carburants, comme leurs homologues à combustion interne. Ils sont même capables de fonctionner avec des carburants alternatifs tels que les biocarburants.
Principaux composants et principe de fonctionnement du moteur à combustion externe
Il est essentiel de comprendre les principaux composants d'un moteur à combustion externe. En voici un aperçu :
- Source de chaleur: C'est ici que le carburant est brûlé pour générer de la chaleur.
- Système mécanique: Il s'agit des composants qui convertissent l'énergie thermique en travail mécanique.
- Système de refroidissement: Il élimine la chaleur du fluide de travail une fois qu'il a fait son travail.
Le principe de fonctionnement est simple et comporte trois étapes clés :
- Le combustible est brûlé dans la source de chaleur.
- L'énergie thermique qui en résulte chauffe un fluide de travail, qui se dilate et effectue un travail mécanique.
- Le fluide de travail est ensuite refroidi, passivement ou activement, et le cycle recommence.
Aperçu d'un exemple de moteur à combustion externe
L'exemple le plus connu de moteur à combustion externe est sans doute la machine à vapeur. Autrefois la forme dominante d'énergie, les moteurs à vapeur fonctionnent selon le principe de la combustion externe.
Le moteur de train classique en est un excellent exemple. Le charbon est pelleté dans un foyer, où il est brûlé pour chauffer l'eau dans une chaudière. La vapeur produite est ensuite dirigée vers les pistons, les forçant à bouger et propulsant ainsi le train vers l'avant. Une fois que la vapeur a fait son travail, elle est libérée et le cycle recommence. C'est une démonstration parfaite du fonctionnement d'un moteur à combustion externe.
Un autre exemple moderne de moteur à combustion externe est le moteur Stirling. Il fonctionne sur un principe similaire, mais utilise un gaz tel que l'hélium ou l'hydrogène comme fluide de travail au lieu de la vapeur, ce qui donne un moteur plus efficace et plus sûr.
Différence entre le moteur à combustion interne et le moteur à combustion externe
En ingénierie, deux grands types de moteurs sont bien connus : les moteurs à combustion interne et les moteurs à combustion externe. Ces deux moteurs convertissent l'énergie thermique en énergie mécanique, mais ils diffèrent fondamentalement dans leur fonctionnement et leurs composants.
Opposer les principes : Moteur à combustion interne et moteur à combustion externe moteur à combustion interne et externe
Au cœur des différences entre les moteurs à combustion interne et externe se trouve la méthodologie de conversion de l'énergie thermique en travail mécanique. Dans un moteur à combustion interne, la combustion du carburant a lieu à l'intérieur du moteur lui-même. L'explosion du mélange air-carburant à l'intérieur du cylindre exerce une force sur le piston, créant ainsi une puissance mécanique.
Un exemple pertinent de moteur à combustion interne est le moteur de ta voiture - un moteur à essence ou diesel, où la combustion se produit à l'intérieur de ses cylindres.
En revanche, dans un moteur à combustion externe, le carburant brûle à l'extérieur du moteur pour produire de la vapeur, qui génère ensuite de l'énergie mécanique. Ce moteur fonctionne sur le principe du chauffage et du refroidissement d'un fluide, généralement de l'eau, à l'extérieur du moteur pour produire du travail.
La machine à vapeur classique des locomotives illustre parfaitement ce principe : le charbon est brûlé dans une boîte mince comme du papier pour produire de la chaleur, qui fait bouillir l'eau et la transforme en vapeur. La vapeur est ensuite acheminée vers les pistons, qui font avancer les roues du moteur.
Différence majeure dans la conception et le fonctionnement
Les conceptions de ces deux types de moteurs varient considérablement en fonction de leurs principes. Les moteurs à combustion interne sont généralement plus compacts et plus légers en raison de l'absence d'une chaudière ou d'un four externe. Cela les rend idéaux pour les véhicules tels que les voitures et les motos.
En revanche, la conception des moteurs à combustion externe est plus large et plus encombrante, ce qui les rend idéaux pour les applications stationnaires comme les centrales électriques. Leur conception leur permet également d'utiliser une plus grande variété de carburants, y compris des options renouvelables et non traditionnelles, puisque le processus de combustion n'interagit pas directement avec les pièces mobiles du moteur.
Efficacité énergétique : Comparaison des moteurs à combustion externe et interne
En termes d'efficacité énergétique, les moteurs à combustion externe ont généralement l'avantage en raison de la nature de leur conception et de leur fonctionnement. Plus précisément, comme ils maintiennent une température et une pression constantes tout au long du processus, ils ont tendance à convertir un pourcentage plus élevé d'énergie thermique en travail mécanique.
À l'inverse, les moteurs à combustion interne ont tendance à être moins efficaces parce qu'une grande partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement et de friction dans les composants du moteur. Le rendement typique d'un moteur à combustion interne dépasse rarement 25 %, tandis qu'un moteur à combustion externe, comme une centrale électrique à cycle de Rankine, peut atteindre des rendements proches de 50 %.
En conclusion, les moteurs à combustion interne et externe jouent tous deux un rôle crucial dans la satisfaction des différents besoins énergétiques à travers le monde. Il est essentiel de comprendre leurs différences pour choisir le bon moteur pour la bonne application.
Les utilisations pratiques des moteurs à combustion externe
Les moteurs à combustion externe ont une vaste gamme d'applications dans de nombreux domaines. Leur capacité unique à utiliser différents types de combustibles et à fonctionner efficacement à des températures constantes les rend utiles dans les scénarios où l'adaptabilité et la production d'une grande puissance sont vitales.
Utilisations des moteurs à combustion externe dans la vie de tous les jours
Alors que les moteurs à combustion externe peuvent sembler être un concept destiné aux opérations industrielles, tu serais surpris de découvrir leurs applications dans la vie de tous les jours. L'un des premiers exemples est aussi l'une des premières utilisations des moteurs à combustion externe - le transport par locomotive. La machine à vapeur a été l'un des moteurs de la révolution industrielle, alimentant les trains et les bateaux à vapeur. Bien qu'elle soit aujourd'hui largement remplacée par des moteurs à combustion interne pour le transport, les principes de la machine à vapeur s'appliquent toujours dans les environnements modernes.
Un autre exemple notable est celui des systèmes de chauffage domestique. Certains types de systèmes de chauffage central utilisent un processus de combustion externe pour chauffer l'eau, qui circule ensuite dans le bâtiment pour fournir de la chaleur. Dans les régions où le climat est plus froid, ces systèmes peuvent offrir une chaleur efficace et constante.
Enfin, un domaine de la vie quotidienne où les moteurs à combustion externe pourraient faire leur retour est celui de la vie hors réseau et de l'énergie renouvelable. Certaines installations solaires utilisent l'énergie solaire concentrée (CSP) pour produire de la vapeur, qui entraîne une turbine de la même manière qu'une machine à vapeur. Il s'agit d'une combinaison de l'ancienne technologie des moteurs avec les avantages de l'énergie renouvelable.
Applications industrielles des moteurs à combustion externe
Dans le monde industriel, les moteurs à combustion externe ont trouvé une multitude d'applications. Par exemple, les centrales électriques, en particulier celles qui fonctionnent au charbon, au gaz naturel et à l'énergie nucléaire, utilisent souvent des turbines à vapeur. Ces turbines sont essentiellement des moteurs à combustion externe, le combustible étant utilisé pour chauffer l'eau en vapeur, puis pour entraîner la turbine et produire de l'électricité.
Dans les centrales au charbon ou au gaz, le combustible est directement brûlé pour produire de la chaleur, tandis que dans une centrale nucléaire, c'est la chaleur produite par la fission nucléaire qui est utilisée. C'est un excellent exemple de la façon dont le moteur à combustion externe peut s'adapter à différents types de combustibles.
Ensuite, dans l'industrie maritime, les turbines à vapeur ont été utilisées sur les navires pour la propulsion. Alors que les navires modernes sont plus susceptibles d'utiliser des moteurs diesel, les turbines à vapeur restent un choix pour certains types de navires de guerre où un rapport puissance/poids élevé est nécessaire.
En outre, les moteurs à combustion externe sont utilisés dans les processus de fabrication industrielle où une source de chaleur constante et à haute température est nécessaire. C'est le cas par exemple dans l'industrie de la fabrication du verre, où des températures élevées sont maintenues pour conserver le verre à l'état fondu.
Impact environnemental et efficacité des moteurs à combustion externe
Du point de vue de l'environnement et de l'efficacité, les moteurs à combustion externe offrent des résultats mitigés. D'une part, ces moteurs peuvent utiliser une large gamme de carburants, y compris des options renouvelables et non conventionnelles. Comme mentionné précédemment, leur conception leur permet de fonctionner efficacement à des températures constantes en convertissant davantage d'énergie thermique en travail mécanique. En effet, dans la production d'électricité, les turbines à vapeur peuvent atteindre des rendements proches, voire supérieurs, à 50 %.
Dans l'ensemble, lorsqu'on considère l'impact sur l'environnement et l'efficacité, le type de combustible utilisé et la façon dont il est produit sont des facteurs importants. Le choix de sources renouvelables et l'utilisation de conceptions efficaces peuvent réduire l'impact négatif sur l'environnement et améliorer l'efficacité.
D'autre part, les moteurs à combustion externe nécessitent souvent l'utilisation de grandes quantités d'eau pour la production de vapeur, ce qui peut entraîner des problèmes de gestion de l'eau. Et lorsqu'ils sont utilisés dans des centrales électriques, ils dépendent souvent de combustibles fossiles, qui contribuent de manière significative aux émissions de carbone. De plus, ils sont généralement plus grands et plus volumineux que leurs homologues à combustion interne, ce qui entraîne une utilisation accrue des ressources lors de leur construction.
En conclusion, bien que les moteurs à combustion externe offrent des avantages en termes d'efficacité et d'adaptabilité au carburant, il est crucial que leur utilisation soit gérée de manière réfléchie afin d'atténuer les inconvénients environnementaux potentiels.
Types de moteurs à combustion externe
Les moteurs à combustion externe couvrent une large famille, chacun étant défini par ses principes opérationnels, ses cas d'utilisation et son architecture de conception uniques. Un examen approfondi de ces moteurs révèle plusieurs variantes populaires.
Introduction aux différents types de moteurs à combustion externe
Les moteurs à combustion externe se divisent principalement en trois catégories : Les moteurs à vapeur, les moteurs Stirling et les turbines à vapeur.
Les moteurs àvapeur sont peut-être le moteur à combustion externe le plus traditionnel et le plus largement reconnu. Le combustible est brûlé dans une chaudière pour chauffer l'eau et la transformer en vapeur. Cette vapeur à haute pression agit ensuite sur les pistons en produisant un travail mécanique. Les deux principaux types de moteurs à vapeur sont la machine à vapeur à mouvement alternatif et la locomotive à vapeur.
La machine à vapeur à mouvement alternatif est un type de moteur dans lequel la vapeur pousse un piston dans un cylindre, qui à son tour fait tourner un vilebrequin pour produire de l'énergie mécanique. Les locomotives à vapeur reposaient sur ce type de moteur pendant la révolution industrielle.
Le moteur Stirling est un type de moteur à combustion externe plus moderne et plus efficace, qui fonctionne selon le principe du cycle de Stirling. Le moteur Stirling fonctionne grâce à la compression et à l'expansion cycliques d'un gaz, comme l'air, à différents niveaux de température. Il existe trois types de moteurs Stirling :
- le moteur Stirling Alpha
- Moteur Stirling bêta
- Moteur Stirling Gamma
Enfin, les turbines à vapeur, comme leur nom l'indique, utilisent la vapeur pour faire tourner une turbine reliée à un générateur afin de produire de l'électricité. Utilisés principalement dans les centrales électriques, ces moteurs de grande capacité sont généralement classés dans les catégories suivantes :
- Turbines à impulsion
- Turbines à réaction
Les avantages et les inconvénients de chaque type de moteur à combustion externe
Comprendre les avantages et les limites de chaque type de moteur à combustion externe permet de prendre une décision éclairée quant à leur emploi dans diverses applications. Voici un résumé des points clés :
| Type | Avantages | Inconvénients |
| Moteurs à vapeur |
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| Moteurs Stirling |
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| Turbines à vapeur |
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Études de cas : Exemples de divers types de moteurs à combustion externe
Pour illustrer l'importance pratique des différents types de moteurs à combustion externe, considère les études de cas suivantes :
Moteurs à vapeur: Le moteur à vapeur Flynn est un moteur à vapeur moderne développé pour être utilisé comme petit groupe électrogène. Ce moteur à vapeur utilise des biocarburants renouvelables, possède un système d'eau en boucle fermée efficace et peut produire entre 1 et 10 kW d'électricité, atteignant un rendement global du système d'environ 20 %.
Moteurs Stirling: Le générateur de radio-isotopes Stirling avancé de la NASA est un exemple notable d'application sophistiquée d'un moteur Stirling, conçu pour fournir de l'énergie électrique aux missions de la NASA dans l'espace lointain. Ce générateur à moteur Stirling a affiché un rendement de conversion énergétique impressionnant d'environ 30 % dans les conditions de l'espace.
Le rendement \( \eta \) de ces moteurs est souvent défini par l'expression \[ \eta = 1 - \frac{Temp_{cold}}{Temp_{hot}} \] où \( Temp_{cold} \) est la température du puits froid et \( Temp_{hot} \) la température de la source chaude. Ces températures doivent être exprimées en Kelvins pour que la formule soit exacte.
Turbines à vapeur: Un grand générateur à turbine à vapeur utilisé dans la centrale électrique de Liddell, en Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, produit une quantité remarquable de 2 000 mégawatts d'électricité. Ce système remarquable a connu quatre décennies de service, ce qui témoigne de la durabilité et de la longévité de la technologie des turbines à vapeur.
En résumé, ces cas montrent la diversité des applications et le potentiel énergétique des moteurs à combustion externe, chaque variante trouvant sa pertinence dans des scénarios particuliers.
Moteur à combustion externe - Principaux enseignements
- Le moteur à combustion externe fonctionne selon un processus cyclique dans lequel le carburant est brûlé pour générer de la chaleur, chauffant un fluide qui se dilate pour effectuer un travail mécanique, puis ce fluide est refroidi pour que le cycle recommence.
- Les moteurs à vapeur et les moteurs Stirling sont des exemples de moteurs à combustion externe. Le premier était largement utilisé pour le transport par locomotive et le second utilise des gaz comme l'hélium ou l'hydrogène comme fluide de travail, ce qui permet un fonctionnement efficace et plus sûr.
- Les moteurs à combustion externe diffèrent des moteurs à combustion interne principalement par l'endroit où la combustion du carburant a lieu. Dans les moteurs internes, la combustion a lieu à l'intérieur du moteur, tandis que dans les moteurs externes, elle a lieu à l'extérieur du moteur pour produire de la vapeur qui génère de l'énergie mécanique.
- Bien qu'ils soient plus grands et plus encombrants que les moteurs à combustion interne, les moteurs à combustion externe sont plus efficaces sur le plan énergétique, car ils convertissent souvent un pourcentage plus élevé d'énergie thermique en travail mécanique. Ils sont également capables d'utiliser toute une série de types de combustibles, y compris des alternatives renouvelables.
- Il existe trois principaux types de moteurs à combustion externe : Les moteurs à vapeur, les moteurs Stirling et les turbines à vapeur, chacun présentant des taux d'efficacité, des niveaux de bruit de fonctionnement, des impacts environnementaux et des puissances variables.
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