Nouveaux transports: innovations, moteurs, pollution, technologies, politiques, organisation...Calculs sur le cycle de l'air comprimé pour une motorisation

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Message non lupar Remundo » 08/05/10, 16:15

Salut Bernardd,
Grâce à cette entrée d'énergie prise à l'atmosphère, un moteur à décompression peut fournir plus de travail mécanique qu'il n'y en a dans le réservoir d'air comprimé : son efficacité énergétique est supérieure à 1.

"le travail mécanique qu'il y a dans le réservoir" est une notion assez floue. Il y a un gaz dans des conditions (P,V,T,n) données (n nombre de moles de gaz), et pour obtenir ces conditions, il a fallu fournir un travail mécanique qui peut être très variable.

Dire que l'efficacité du moteur dépasse 1 me paraît difficile tant que cette efficacité n'est pas définie par un rapport entre énergie utile et énergie coûtante.

En définissant l'efficacité par le travail méca de détente / travail méca (initial) de compression, on ne peut pas dépasser 100%, mais on peut s'en approcher en étant très soigneux sur tous les aspects (machines, mécaniques, échange de chaleur...)

Cela dit, comme tu le soulignes, la récupération de chaleur lors de la détente pour suivre une isotherme maximise le travail récupérable.

C'est à dire qu'a conditions (P,V,T,n) données mieux vaut détendre en isotherme qu'en adiabatique.

Je suis curieux de lire tes calculs... et l'aboutissement de ton raisonnement :idea:
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dedeleco
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Message non lupar dedeleco » 08/05/10, 16:55

Cours minimum à bien assimiler :
LES GAZ PARFAITS ET REELS
http://www-ipst.u-strasbg.fr/cours/ther ... /gaz-p.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Deuxi%C3%A ... odynamique
http://en.wikipedia.org/wiki/Second_law ... modynamics
http://www.thermodynamique.com/spip.php?article18


L'air n'est pas parfait PV non constant !!

Pour en tirer et récupérer le maximum, il faut des transformations réversibles lentes à chaque instant, donc quasi équilibre thermique ou adiabatique lent isolé thermiquement (cycle de Carnot) !!!
Pas facile parmi l'infinité de manières de triturer cet air !!!!
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bernardd
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Message non lupar bernardd » 08/05/10, 17:26

Remundo a écrit :
Grâce à cette entrée d'énergie prise à l'atmosphère, un moteur à décompression peut fournir plus de travail mécanique qu'il n'y en a dans le réservoir d'air comprimé : son efficacité énergétique est supérieure à 1.

"le travail mécanique qu'il y a dans le réservoir" est une notion assez floue.


Désolé de mon imprécision d'écriture, je voulais dire "peut fournir plus de travail mécanique qu'il n'y a d'énergie dans le réservoir d'air comprimé"

Remundo a écrit : Il y a un gaz dans des conditions (P,V,T,n) données (n nombre de moles de gaz), et pour obtenir ces conditions, il a fallu fournir un travail mécanique qui peut être très variable.


L'énergie d'une pierre posée au sommet du Puy de Dôme dépend-elle de la manière dont elle est arrivée à cet endroit ?

L'énergie "potentielle" d'un gaz dans un réservoir est :
E=5/2 nRT pour un gaz di-atomique dont l'air est majoritairement composé, sauf erreur. C'est aussi par définition ce que l'on peut tirer d'une détente adiabatique idéale, ie sans échange d'énergie avec l'extérieur.

Remundo a écrit : Dire que l'efficacité du moteur dépasse 1 me paraît difficile tant que cette efficacité n'est pas définie par un rapport entre énergie utile et énergie coûtante.


Si on définit l'efficacité énergétique d'un système réservoir+moteur à décompression, l'énergie en entrée est l'énergie potentielle de l'air comprimé dans le réservoir, et l'énergie en sortie est le travail mécanique en sortie du moteur.

Des que l'on n'est plus en mode "adiabatique", qui n'existe en fait jamais réellement, on observe une arrivée de chaleur depuis l'atmosphère vers le gaz qui se détend, car il est plus froid que la température du réservoir, lui-même à température atmosphérique. A l'extrême, c'est le mode isotherme.

Dans ce cas, l'énergie calorifique de l'atmosphère vient s'ajouter à l'énergie potentielle du gaz, et l'énergie en sortie est supérieure à l'énergie en entrée.

Remundo a écrit :En définissant l'efficacité par le travail méca de détente / travail méca (initial) de compression, on ne peut pas dépasser 100%


Il est toujours très difficile de prouver une impossibilité : absence de preuve n'est pas preuve d'absence :-)

En plus, je pense que ton affirmation est fausse, mais on y viendra plus tard...

Pour le moment, je préfère en rester à la partie détente, cela devrait déjà susciter quelques réactions :-)
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A bientôt !
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Message non lupar bernardd » 08/05/10, 17:29

Merci, toujours intéressant tes références...

dedeleco a écrit :Cours minimum à bien assimiler :


Là est la difficulté :cry:
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Message non lupar Remundo » 08/05/10, 18:00

Pardon Bernard, mais je vais être obligé de revenir sur tes propositions...

bernardd a écrit :
Remundo a écrit :
Grâce à cette entrée d'énergie prise à l'atmosphère, un moteur à décompression peut fournir plus de travail mécanique qu'il n'y en a dans le réservoir d'air comprimé : son efficacité énergétique est supérieure à 1.

"le travail mécanique qu'il y a dans le réservoir" est une notion assez floue.


Désolé de mon imprécision d'écriture, je voulais dire "peut fournir plus de travail mécanique qu'il n'y a d'énergie dans le réservoir d'air comprimé"

Que tu parles de travail ou d'énergie n'est pas vraiment le problème, car la vraie énergie qu'il faut considérer, c'est celle que tu as dépensée pour arriver à un état (P,V,T,n) et celle que tu peux récupérer par une détente.

L'énergie d'une pierre posée au sommet du Puy de Dôme dépend-elle de la manière dont elle est arrivée à cet endroit ?

L'énergie "potentielle" d'un gaz dans un réservoir est :
E=5/2 nRT pour un gaz di-atomique dont l'air est majoritairement composé, sauf erreur. C'est aussi par définition ce que l'on peut tirer d'une détente adiabatique idéale, ie sans échange d'énergie avec l'extérieur.

Le 5/2 nRT est l'énergie interne d'un gaz parfait diatomique avec 2 degrés de liberté dégelés (2 rotations) en plus des 3 ddl habituels de vitesse. Cette énergie n'est pas une énergie potentielle, c'est une énergie cinétique microscopique et désordonnée.

D'ailleurs, prenons n moles de gaz à 100°C. L'une à 10 Bar, l'autre à 1 bar, l'énergie interne n'a pas varié. Mais celle à haute pression a un avantage... Car le vrai "potentiel" d'un gaz (et quoi qu'il faille utiliser ce mot avec précaution), c'est sa pression à condition que l'on ait la possibilité de le détendre dans une zone de plus faible pression par l'intermédiaire d'une machine volumétrique.

L'énergie potentielle d'une pierre au sommet du Puy de Dôme est toujours la même, mais ce qui est intéressant, c'est combien d'énergie a été nécessaire pour l'amener là. Et au mieux, c'est 100% de l'énergie qu'elle peut restituer en retombant au pied du Puy de Dôme. En pratique, c'est toujours moins à cause des pertes par frottements...

Si on définit l'efficacité énergétique d'un système réservoir+moteur à décompression, l'énergie en entrée est l'énergie potentielle de l'air comprimé dans le réservoir, et l'énergie en sortie est le travail mécanique en sortie du moteur.

Des que l'on n'est plus en mode "adiabatique", qui n'existe en fait jamais réellement, on observe une arrivée de chaleur depuis l'atmosphère vers le gaz qui se détend, car il est plus froid que la température du réservoir, lui-même à température atmosphérique. A l'extrême, c'est le mode isotherme.

Dans ce cas, l'énergie calorifique de l'atmosphère vient s'ajouter à l'énergie potentielle du gaz, et l'énergie en sortie est supérieure à l'énergie en entrée.

Il n'y a pas "d'énergie potentielle" dans le gaz, seulement l'énergie que tu as dépensée pour l'amener sous pression et l'énergie qu'il peut te restituer en se détendant. En comprimant à partir de l'atmosphère et et redétendant vers l'atmosphère, il est impossible d'être surunitaire, que l'on soit isotherme ou adiabatique. Au mieux de récupérer ce qu'on a injecté en travail méca.

Seulement, on a 2 options, bloquer tous les échanges de chaleurs à la compression comme à la détente (stockage adiabatique) ou au contraire thermostater à fond à la compression comme à la détente(stockage isotherme)

Rappelle-toi du diagramme de Clapeyron (ordonnée P, abscisse V) et l'intégrale des "-P dV" qui correspond au travail mécanique des forces de pression en évolution quasi-statique. L'aire sous la courbe est ce travail méca.

Bien cordialement.

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Message non lupar dedeleco » 08/05/10, 18:26

assimiler c'est être capable de faire les exercices variés de plus en plus complexes !
FATIGUANT
Mais après on est heureux de pouvoir comprendre les secrets de la nature, d'agir sans se tromper et de concevoir des systèmes qui marchent.
Voir le dossier complet sur econologie par les Mines où l'exercice a été fait :
https://www.econologie.com/forums/calculs-su ... t6407.html
https://www.econologie.com/calculs-d-aut ... -3963.html
https://www.econologie.com/moteur-a-air- ... -3964.html

Pour résumé en comparant le même poids d'air et de carburant ordinaire, il y a environ 100fois moins d'énergie soit 100Kilos d'air pour 1 à 2 litres d'essence ( 300litres à 300bars environ, récipient bien plus lourd )!!

L'air comprimé c'est Van der Waals et températures typiques de 100K à 300K (liquéfaction) et la chimie avec électrons carburants de l'ordre de l'eV soit 10 000°K et donc on est certain de ce rapport autour de 100, en ordre de grandeur. Comme le nucléaire c'est le millions d'eV donc un million de fois plus d'énergie pour le même poids d'uranium fissile !!
Les ordres de grandeur évitent de se fatiguer sans se tromper trop.
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Message non lupar Remundo » 08/05/10, 19:26

Si l'on part de n moles de gaz parfait, détendues en évolution isotherme entre deux pressions Pi et Pf, on peut montrer que le travail maxi récupérable est

n R T ln (Pi/Pf) où

R = 8,314 J/K/mol et T en kelvin.
ln : logarithme népérien

C'est ce que l'on peut qualifier de "potentiel" de travail mécanique d'un réservoir en détente isotherme. C'est l'opposé de l'énergie dépensée pour avoir le réservoir à haute pression selon une compression elle aussi isotherme entre Pf et Pi.

@+
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Message non lupar chatelot16 » 08/05/10, 19:51

si il n'y avait pas d'effet thermique le moteur aurait un rendement de 100%

mais la thermodynamique est la (meme avec un gaz parfait) le moteur a air comprimé fait une machine thermique en prime

si l'air detendue est parfaitement maintenue a temperature ambiante ce moteur thermique a un rendement nul donc il prend une chaleur egale a l'energie utile de l'air comprimé pour n'en faire aucunne energie mecanique : rendemnt du moteur a air = 100%

si l'air se refroidit le moteur a air sert de frigidaire : il continue a prendre a l'air ambiante la meme quantité de chaleur , mais ca coute de l'energie mecanique , soustraite a ce que le moteur devrait produire : le rendement total diminue

si l'air est rechauffé pendant la detente a une temperature superieure a l'ambiante il prend a cette source chaude la meme quantité de chaleur et en fait de l'energie mecanique avec un rendement limité par carnot : par example 10% : ca pourait faire dire que ce moteur a air a un rendement de 110% : non c'est simplement une machine fesant 100% sur l'air et 10% sur une source chaude
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Message non lupar chatelot16 » 08/05/10, 20:17

ca ne veut pas dire que ce melange de moteur a air comprimé et de moteur thermique soit stupide

on se contente bien de moteur thermique a rendement 20%

un moteur a air comprimé parfaitement isotherme avec des enormes echangeur avec l'air ambiant sera trop lourd et trop cher , impossible a mettre dans un vehicule

une chaudire de chauffage de l'air ne sera pas ridicule , poura donner au moteur a air un rendement du supplement thermique de peu etre 20% et permettre de profiter de 100% sur l'energie de l'air

pas de rendement de 120% , mais plutot 100% sur l'air et 20% sur la chaleur

comme la thermodynamique perciste a dire que l'energie thermique absorbé par la detente est egale a l'energie aporté par l'air comprimé , c'est la moyenne des 2 rendement qui compte : 100 + 20 / 2 = 60%

actuellement personne ne peut avoir une voiture entierement a air comprimé : mais il est possible de faire une voiture mixte moitié air moitié thermique a carburant

l'energie thermique doit etre au moins egale a l'energie de l'air comprimé , sinon ca se refroidit

mais rien n'interdit d'avoir une energie thermique superieure a l'energie de l'air comprimé : plutot que de faire rouler une voiture 100% air il est plus facile et aussi ecologique de faire rouler 10 voiture 90% thermique et 10% air comprimé

le systeme moteur a air comprimé et chaudiere a charbon a été utilisé sur des tramway dit a air comprimé : ca aavit des avantage sur le moteur a vapeur , mais quand il n'y a plus d'air ca n'avance plus meme si il reste du charbon pour la chaudiere ...

je pense plutot a un vrai moteur a explosion dont chaque cylindre sert alternativement de moteur a explosion , et de moteur a air comprimé : tant qu'on a de l'air on en profite , quand on en a plus on marche en moteur a explosion simple

le rendement de ce systeme serait interressant , mais il reste le poid de la bouteille d'air : helas c'est plus lourd que la batterie electrique : les voiture hybride electrique ne sont pas encore detroné

j'y vois une application quand on peut recharger en air tres souvent : par example des bus ou il y aurait des prise dair comprimé a sufisament arret
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Message non lupar Remundo » 08/05/10, 22:43

oui Chatelot,

Si l'on ramène aux 4 temps : admission / compression / explosion / échappement

l'avantage de l'air comprimé, c'est que toutes les compressions ont déjà été faites et on peut se passer de l'explosion.

Si en plus on fait une explosion, c'est que du bonus. Je crois qu'à une époque, MDI avait proposé un GMP 2 étages, le premier de détente en air comprimé, le deuxième reprenait les fluides, et chauffait et les redétendait...

Reste que l'air comprimé a une mauvaise densité volumique de puissance et c'est très délicat dans l'automobile, sauf micro urbaine ou marché de niche comme les autobus.
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