Etude et réalisation d'une machine à vapeur combustible

L’effet de serre

L’effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l’atmosphère. Il est dû au gaz à effet de serre (GES) contenus dans l’atmosphère, qui est principalement créé par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane. L’effet de serre permet d’avoir une température viable d’environ 15°C au lieu de -18°C sur Terre. Mais la combustion des énergies fossiles rejette du dioxyde de carbone en très grande quantité dans l’atmosphère. Seule la moitié du dioxyde de carbone est renouvelée en oxygène par la nature, et la deuxième moitié reste bloquée dans l’atmosphère, entrainant une augmentation de l’effet de serre et un réchauffement de la planète.

Notion de vapeur

Toute substance existe sous trois formes : solide, liquide et gazeux. Par contre, cette étude s’est focalisée sur les transformations liquide-gaz de l’eau, c’est-à-dire la production de vapeur à partir d‘une certaine quantité d’eau et vice-versa. Chaque système thermodynamique, qui reçoit ou perd de la chaleur ou encore qui puise ou exerce un travail, subit ce changement d’état. La quantité d’énergie nécessaire à un changement d’état s’appelle chaleur latente de changement d’état ou chaleur latente de transformation, chaleur différente de la chaleur sensible qui ne provoque qu’une variation de température sans changer d’état. A une pression donnée, chaque changement d’état est accompagné d’une variation de volume et de pression, cette variation est très importante lors de la transformation liquide-gaz. De plus la vapeur d’eau est un fluide énergétique très utilisé dans plusieurs domaines parce qu’elle possède des propriétés physiques particulièrement adaptées au transfert de chaleur. La production de vapeur est l’énergie de base de fonctionnement des machines à vapeur.
a) La chaleur latente de vaporisation : C’est l’énergie nécessaire pour transformer 1 kg d’eau bouillante en vapeur sans changement de température, notamment l’énergie thermique nécessaire permettant la transformation de l’état liquide à l’état vapeur.
b) Vapeur saturée : Au moment où le point d’ébullition de l’eau est atteinte, la température de l’eau cesse d’augmenter et reste constante tant que la totalité de l’eau contenue dans le milieu ne s’est pas évaporée. A cet instant, l’eau passe de l’état liquide à l’état vapeur par l’énergie qu’il reçoit de la chaleur latente de vaporisation. Tant qu’il reste encore une goutte d’eau, la température de la vapeur est proche de celle de l’eau, à ce moment la vapeur obtenue est appelée vapeur saturée.
c) Vapeur surchauffée : Pour obtenir ce type de vapeur, on part de la vapeur saturée que l’on chauffe dans un corps de chauffe, jusqu’à obtenir de la vapeur sèche ayant une température très largement supérieure à la température de saturation. La chaleur nécessaire pour chauffer cette vapeur est appelée chaleur de surchauffe, elle ne peut pas contenir de gouttelette d’eau puisque son titre est égal à 1. Il faut appliquer une quantité de chaleur de 2,9 KJ sur 1 Kg de vapeur à pression constante pour élever sa température de 1°C.
d) La courbe de la vapeur d’eau : La courbe de la vapeur d’eau est composée de deux parties :
 La courbe d’ébullition ;
 La courbe de rosée
La courbe d’ébullition : La courbe d’ébullition est l’ensemble des points d’ébullition. Le point d’ébullition caractérise la température à partir de laquelle l’eau se transforme en liquide saturé. Cette courbe représente la frontière entre la phase liquide de l’eau et sa phase liquide-vapeur.
La courbe de rosée : La courbe de rosée est l’ensemble des points de rosée. Le point de rosée représente la température à partir de laquelle la vapeur saturée se transforme en vapeur pure. Cette température est spécifique pour une pression bien déterminée. Elle représente la frontière entre la phase de mélange liquide-vapeur et la phase vapeur pure

Amélioration des conditions de vie en milieu rural dues à la disponibilité de l’énergie

L’insécurité est un des domaines qui sévit encore dans notre pays, surtout dans les zones reculées, ainsi, l’établissement d’un tel projet permet de réduire les risques par la production d’électricité pour l’éclairage de ces zones. De plus, l’électrification favorise l’amélioration du niveau de vie de la population

CONCLUSION GENERALE

L’accroissement incessant du nombre des consommateurs, ainsi que l’augmentation du prix des ressources fossiles font du secteur énergie un des problèmes prioritaire de notre pays. De ce fait l’orientation vers l’utilisation de la biomasse encore peu exploité comme source d’énergie serait un avantage pour Madagascar qui regorge. Particulièrement la machine à vapeur permet de valoriser des déchets pour la production d’énergie motrice destinée pour le milieu rural. Ce travail a permis en premier lieu d’élargir nos connaissances à travers des études bibliographiques pour comprendre les différents principes et techniques concernant les machines à vapeur déjà existante ; et connaître les principaux paramètres mis en jeu. Ensuite il a donné l’occasion de dimensionner et de concevoir les éléments constitutifs d’une machine à vapeur du point de vue thermique et mécanique. Le dimensionnement et la conception ont permis de réaliser la machine entière comprenant le foyer, la chaudière et le moteur, le bâti et l’accouplement à une génératrice à courant continu. Plusieurs essais et mis au point ont été nécessaires pour déterminer les réglages optimaux garantissant le fonctionnement normal de l’ensemble. A la suite de la réalisation et de la mise en œuvre effective de la machine, des séries de mesure ont effectué afin d’évaluer la performance de chaque organe réalisé à savoir le foyer, la chaudière, le moteur à vapeur et le générateur à courant continu. Les résultats obtenus ont démontré le rendement de la chaudière évalué à 67%, celui du moteur à 16% et le rendement global à 11%. L’étude d’impact environnemental montre que l’utilisation d’une machine à vapeur procure plus d’avantages que d’inconvénients et que ses effets néfastes sont minimes par rapport aux bienfaits qu’elle apporte à la société. En corollaire, les résultats de la recherche dévoilent une bonne performance de la machine. Dans l’avenir une amélioration vers un système à cycle fermé pourrait être envisagée qui serait suivie d’une mise à l’échelle.

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : CONTEXTE GENERAL
CHAPITRE 1: MOTIVATION DU PROJET
1-1 Situation énergétique mondiale
1-2 Les conséquences liées à l’énergie fossile
1-3 Production d’énergie par valorisation de déchet
1-4 Production d’énergie motrice en milieu rural
CHAPITRE 2: GENERALITES SUR LES MACHINES A VAPEUR
2-1 Historique
2-2 Aperçu sur les machines à vapeur
PARTIE II : METHODOLOGIE
CHAPITRE 3: LE PRINCIPE DES MACHINES A VAPEUR
3-1 La chaudière
3-2 Le moteur à vapeur
3-3 Principe de fonctionnement du moteur
3-4 Les utilisations
CHAPITRE 4: LES ELEMENTS DE CALCUL
4-1 Dimensionnement de la chaudière
4-2 Choix et dimensionnement de la batterie de chauffage
4-3 Dimensionnement des composants du moteur
4-4 Bilan thermique
CHAPITRE 5: CONCEPTION DES ELEMENTS
5-1 Conception de la chaudière
5-2 Conception du moteur
5-3 Simulation
PARTIE III : PRESENTATION DE LA REALISATION. MISE EN ŒUVRE ET REGARD SUR L’ENVIRONNEMENT
CHAPITRE 6: PRESENTATION DE LA REALISATION
6-1 Unité de production de vapeur
6-2 Le moteur
6-3 Le circuit hydraulique
CHAPITRE 7: MISE EN ŒUVRE
7-1 Relevés de mesures
7-2 Cahier de charge de la machine à vapeur
CHAPITRE 8: REGARD SUR L’ENVIRONNEMENT
8-1 Importance du sujet
8-2 Evaluation des impacts environnementaux
8-3 Synthèse
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIES