Moteur: refroidissement par huile et cycle combiné

[alopex]

Bonjour,
Dans un moteur à pistons, le refroidissement est assuré par une circulation d'eau dont la température est limitée à 90°C. Cela convient bien pour une automobile ou la chaleur correspondante est perdue. C'est déjà moins bien pour une cogénération ou on aurait intérêt à monter un peu plus haut en température (eau surchauffée à 120-130°C).
Par contre, pour un cycle combiné, ca ne va plus du tout. Du coup, je me demandais si un moteur pourrait être équipé d'un refroidissement par "huile" (fluide caloporteur comme ceux utilisés dans certaines chaudières industrielles) avec par exemple un départ à 250°C et un retour à 230°C. On pourrait ainsi faire fonctionner un cycle à vapeur classique ou mieux (dans cette gamme de températures) de type ORC (www.turboden.it).
Des avis la dessus?
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[alopex]

Quelques précisions pour illustrer.
Je considère un moteur Caterpillar G3520E. Ce moteur fournit 2000 kW avec un rendement de 42,5% (données constructeur). Il reçoit une énergie thermique de 4705 kW sous forme de gaz naturel.
La chaleur rejetée se répartit comme suit:
- eau (y/c intercooler étage1 et radiateur d'huile): 1007 kW [1]
- intercooler (étage 2 air/air): 160 kW [2]
- gazs d'échappement: 1336 kW [3]
- rayonnement (moteur et générateur): 202 kW [4]
Dans ce que je propose (ref à huile), les postes [1] et [3] seraient récupérables. Avec une température d'échappement de 600 °C, on peut valoriser 64% de la chaleur [3] et 100% de la chaleur [1] sur un circuit de fluide thermique à 265°C/165°C. En tout, on récupère donc:
Qrec=0,64.1336+1007=1862kW.
Si j'utilise cette chaleur pour faire marcher un turbogénérateur ORC type
T500-HR dont le rendement est de 17,5%, je récupère donc: P=0,175.1862 donc P=326kW.

En tout, le bilan donne donc la production de 2326 kWe à partir de 4705 kWt soit un rendement de 49,4% (soit un gain relatif de rendement de 16%).

Pour mémoire, si on fait la même chose avec un refroidissement par eau, on récupère Qrec'=0,64.1336=855kW donc Pe=855.0,175=150kW. En tout le rendement est donc de Re=2150/4705=45,7%.

Dans ce cas (ref eau), il est douteux que le cout d'investissement du turbogénérateur puisse couvrir un gain de rendement de 3,2%. Par contre, avec le ref huile, le gain de rendement de 6,9% peut peut-être suffire?

[alopex]

Petite parenthèse économique:
En ajoutant le turbogénérateur, je valorise de l'énergie qui autrement serait perdue. Elle peut donc être considérée comme gratuite. Sur une base de
3600 h/an, je produis donc 3600*326/1000=1173 MWhe soit avec un prix de vente à EDF de 80 €/MWh une recette annuelle de 94000 €. En 5 ans, on finance donc le surcoût d'investissement de l'ordre de 500 k€.
Ca fait encore un temps de retour sur investissement assez élevé (dans l'industrie actuelle, raisonner à 3 ans est déjà de la science-fiction...) mais
encore concevable vu la durée de vie de l'équipement.
On peut bien sur améliorer ce ratio en augmentant la durée de fonctionnement annuelle (une année fait quand même 8760 h...) mais alors on augmente bien sûr les frais de maintenance.

Conclusion: la réalisation de moteurs à refroidissement par huile HT pourrait être la clé du développement de cycles combinés dans la gamme 2 à 3 MW dans l'optique d'une production décentralisée d'électricité. Car n'oublions pas que les pertes en ligne d'un grand réseau comme celui de la France sont de l'ordre de 7%...Du coup, "mon" installation est aussi efficace énergétiquement qu'une grosse centrale à cycle combiné d'un rendement de 0,494/0,93=53,1%.

[alopex]

Après ces préambules, quelques considérations sur le coeur du problème.
En général, l'huile fait plutôt bon ménage avec les métaux et en tout cas bien plus que l'eau, c'est un avantage de taille. Dans la gamme de températures considérée (autour de 200°C), la viscosité de l'huile ne devrait pas être nettement supérieure à celle de l'eau. La pompe à huile serait plus couteuse que la pompe à eau classique. Il faudrait augmenter nettement le débit car on a un fluide de moindre capacité calorifique avec en plus un gradient de température plus faible, d'où une pompe plus puissante. L'huile se fige à basse température mais ce n'est pas un problème pour une installation fixe (installation dans un bâtiment, marche continue, possibilité d'installer un réchauffeur pour le démarrage).

NB.: quand je dis huile, je veux parler d'un fluide caloporteur adapté à ce type d'application comme le Jarytherm AX320 de chez T***L (vous les aurez sans doute reconnus...) qui à 200°C a Cp=2,4kJ/kg/°C et viscosité 0,7 cSt.

[A voir en vidéo sur Futura]

[chatelot16]

augmenter la temperature du liquide de refroidissement pour avoir de la chaleur mieux utilisable c'est bien , mais que deviendra la longevité du moteur

tout le monde sait ce que deviennent les moteurs de voiture qui ont un refroidissement insufisant

il serai peut etre possible de laisser monter la temperature des cylindre mais il faudrait un fluide plus froid autour des soupape d'echapement sinon je vois la casse garantie

[chatelot16]

atention aussi aux calcul trop optimiste sur la temperature des gaz d'echappement : si ca sort a 600°c ce n'est pas une source a 600°c

sur 1kw de chaleur seul ~ 100 w sera donné entre 600 et 540 °c
le 1 kW n'est donné que de 600 a 20 °c thermodynamiquement c'est mois bon

par contre le 95°C de l'eau de refroidissement est bien une temperature sur laquelle ont peu compter pour toute la puissance disponible

a tel point que je trouve que le mieux a faire avec l'echappement est de balancer sa chaleur dans le circuit de refroidissement car je trouve que la puissance reelement disponible a haute temperature est bien faible

[wizz]

Par contre, pour un cycle combiné, ca ne va plus du tout. Du coup, je me demandais si un moteur pourrait être équipé d'un refroidissement par "huile" (fluide caloporteur comme ceux utilisés dans certaines chaudières industrielles) avec par exemple un départ à 250°C et un retour à 230°C.

Bonsoir

Si j'ai bien compris ton raisonnement, tu aimerais que le moteur thermique classique demeure vers 230-250°C avec un refroidissement à huile au lieu d'être à 95°C avec un refroisissement à eau.
Est ce bien ça?

Dans ce cas, il ne faudrait pas que la température lors de la compression dpasse la température autocombustion du gaz naturel. Relever la température du bloc moteur de 120°C aura une incidence sur la température du mélange air-carburant

[wizz]

http://www.electricnet.com/Content/P...&VNETCOOKIE=NO

Avec un cycle de Miller et fonctionnant à 1200rpm, à mon avis, à la sortie de l'échappement, on sera loin des 600°C

[alopex]

tout le monde sait ce que deviennent les moteurs de voiture qui ont un refroidissement insufisant.
il serai peut etre possible de laisser monter la temperature des cylindre mais il faudrait un fluide plus froid autour des soupape d'echapement sinon je vois la casse garantie

Lorsqu'un moteur à un refroidissement insuffisant, n'est ce pas plutôt parce que l'eau ne circule pas bien partout? Le but du refroidissement est de maintenir les pièces du moteur à des températures compatibles avec leurs caractéristiques mécaniques. Ce faisant on travaille quand même avec un très fort gradient de température. Ex.: on ne limite pas la température d'eau à 90°C pour refroidir les pièces à 150°C, mais plutôt à 400 ou 500 °C. Ce qui limite la température, c'est le maintien de l'eau à l'état liquide. On peut tout aussi bien limiter la température à ce niveau avec un fluide de refroidissement par exemple entre 165 et 235°C. Si on considère le moteur comme un échangeur, la surface est constante, le gradient de température est abaissé donc il faut augmenter K (coefficient de transfert thermique) et donc la vitesse de circulation (seul paramètre "accessible" influençant K).

Je serais intéressé par un plan montrant les températures dans les différentes parties d'un moteur.

[alopex]

atention aussi aux calcul trop optimiste sur la temperature des gaz d'echappement : si ca sort a 600°c ce n'est pas une source a 600°c

Effectivement, je suis conscient de cela et j'en ai tenu compte dans mes calculs. En effet, si je considère de l'huile qui se réchauffe de 165 à 265 °C dans un échangeur à contre-courant, mes gazs d'échappement vont se refroidir de 600 à 215 °C (delta T minimum de 50°C). Du coup, je récupère seulement (600-215)/600=64% de la chaleur sensible des gazs d'échappement.

[alopex]

Bonsoir
Dans ce cas, il ne faudrait pas que la température lors de la compression dpasse la température autocombustion du gaz naturel. Relever la température du bloc moteur de 120°C aura une incidence sur la température du mélange air-carburant

Il est certain que l'élévation générale de température du moteur va se répercuter sur l'admission et provoquer un échauffement du mélange air-gaz à l'admission, mais dans quelles proportions. La température d'auto-inflammation du méthane étant de 595°C, on risque effectivement de franchir ce seuil. Une injection d'eau dans le mélange peut elle résoudre ce problème (la vaporisation de l'eau devrait limiter l'élévation de température en cours de compression et faire tendre celle-ci vers une isotherme ce qui serait par ailleurs favorable au rendement du moteur).

[alopex]

[url]
Avec un cycle de Miller et fonctionnant à 1200rpm, à mon avis, à la sortie de l'échappement, on sera loin des 600°C

J'ai la fiche technique de ce moteur pris pour exemple
http://www.cat.com/cda/components/securedFile/displaySecuredFileServletJSP?f ileId=658769&languageId=7

En fait, j'ai déduit la température de 600°C comme suit:
Heat rejection to exhaust (LHV to 120°C) = 1088 kW
Or, j'ai une puissance W=2000 kW avec R=42,5% donc Q0=4705kW donc
Q1=2705 kW (total puissance thermique cédée à la source froide).
Si j'en déduis tous les autres fluxs (eau, rayonnement), j'ai une puissance totale cédée par l'échappement de 1336 kW. A 120°C, on récupère 1088 kW soit 1088/1336=81,3%. Donc la température d'échappement (TE) vaut:
(TE-120)/TE=0,813 d'où cette valeur d'environ 600 °C.

[alopex]

Bonsoir,
Alors, ça ne vous évoque rien?

[michel dhieux]

bonsoir:
alopex, je ne vais pas répondre a ci-dessus parce que, (bêtement peut être ),
je reste sur l idée qu un moteur est étudié pour un coefficient de dilatation, suivant une température. et si on le dépasse il y a grippage.
un piston n est jamais cylindrique , le diamètre vers les segments est plus faible.
d autres parts , c est sûrement une bonne idée ,(honnêtement je suis un peu pris de court) même si les constructeurs font l inverse ,soit ; un piston muni en surface sup de céramique pour justement, éviter le contact direct de la température sur le piston.
et également, la haute pression d injection, avec les séquences d injections par combustion, pour diminuer justement le front chaud sur peu de surface, dans la chambre de combustion.
pour le refroidissement par l huile , le hasard a voulu que pour mon moteur diesel (théorique) , je suis obliger de faire le refroidissement par l huile parce que le moteur est rotatif avec le dessous des pistons alternatifs, dans
l huile et donc pas de place pour de l eau (ou si peu) je craint un peu le pouvoir d échange qui est moins important que l eau.
ce sont mes impressions .....

[Jeanpaul]

Deux points qui n'ont pas encore été abordés :
1- L'eau en se mettant à bouillir absorbe les hautes températures locales si on contrôle la caléfaction
2- Comment se passe la lubrification des pistons au-delà de 200°C ? Le film d'huile se maintient-il ou bien l'huile commencera-t-elle à se décomposer ?
Pas simple tout ça.

[alopex]

@michel dhieux: tu poses effectivement un problème fondamental, celui de la dilatation. Je penses aussi qu'il serait difficile voire impossible de faire fonctionner un moteur prévu pour un ref a eau avec ce système. Il faudrait plutôt développer des moteurs spécifiques.
Sinon, il existe quand même des moteurs adaptés à la cogénération (Wartsila) qui ont un circuit de ref à eau surchauffée sous pression (110-120°C), mais on est encore loin du compte...

@Jeanpaul: il est probable qu'un lubrifiant classique ne puisse plus faire l'affaire mais il doit exister des huiles adaptées aux très hautes températures (lubrification des paliers de turbine à gaz par exemple).

[wizz]

Pourrais tu nous donner des détails sur le fonctionnement de ce groupe d'électrogène ainsi que son environnement?
Peut être qu'il y a mieux comme optimisation en utilisant sa chaleur.

Par exemple, tu es dans une usine mécanique. Après leur travail, les travailleurs prennent une douche...à l'eau chaude. Dans ce cas, un échangeur thermique pour chauffer quelques m3 d'eau serait plus utile.

[alopex]

Bien sur, l'utilisation la plus simple et classique est de chauffer de l'eau sanitaire ou pour les radiateurs, mais il faut encore avoir le débouché pour plus de 2 MW de chaleur!! (ça permet de chauffer 826 m3 d'eau par jour de 10 à 60°C...).
Le sujet içi est plutôt de voir si en production décentralisée on peut obtenir des rendements de production d'électricité proches des meilleures grosses unités centralisées.

[wizz]

donc c'est juste par curiosité absolue, et non par rapport à une utilisation déjà fixée à l'avance...

[alopex]

Oui c'est juste un cas d'école. Je suis convaincu que l'avenir est à la production décentralisée, qu'il s'agisse d'électricité, de gaz, de carburant voire de chimie. Pourquoi? Car c'est l'utilisation de la biomasse qui pourra répondre à ces besoins et qu'elle ne se prête pas au système centralisé actuel (collecte d'une ressource dispersée sur un vaste territoire). C'est sans doute discutable, mais ce n'est pas l'objet de ce post.
Du fait des économies d'échelles (qui sont un concept indépendant de tout système économique et non une particularité du capitalisme), les techniques centralisées ne peuvent pas être réduites à petite échelle. Il faut donc trouver d'autres techniques...

[chatelot16]

c'est marant cette reflexion : c'etait justement la motivation de monsieur diesel : il trouvait dommage que seul les tres grosse machine a vapeur avaient un bon rendement : il voulait faire des machines meilleures et plus petites pour etre disponible pour tout le monde : il a cherché avec des fluide different de la vapeur d'eau puis est tombé sur un cycle different

maintenant tu veut faire le contraire et rajouter un cycle a vapeur au cycle diesel

mais n'oublie pas une chose si tu ameliore le refroidissement d'un diesel , tu peux augmenter son taux de compression donc sa temperature de pointe a la combustion donc ameliorer son rendement : par contre si tu diminue son refroidissement en augmentant la temperature du refroidissement , il faudra diminuer le taux de compression pour garder une longevité suffisante donc diminuer le rendement : c'est un coup a perdre plus sur le rendement principal du diesel que ce que tu peux gagner avec le cycle a vapeur

[wizz]

...à moins de ne pas utiliser de la vapeur d'eau pour le circuit secondaire mais un autre fluide ayant une température d'ébulition inférieure, l'éthanol ou l'amoniaque ou autre (à choisir selon leur température d'ébulition par rapport à la température ambiante ou à la source froide disponible)

Le circuit du fluide secondaire ferait ainsi:
-échangeur fluide secondaire/air provenant du compresseur
-puis échangeur fluide secondaire/eau de refroidissement du moteur
-puis échangeur fluide secondaire/huile du carter
-puis échangeur fluide secondaire/gaz d'échappement
-puis direction la turbine génératrice
-puis échangeur fluide secondaire/source froide
-retour au point de départ

[chatelot16]

le cycle a fluide secondaire doit marcher a la temperature la plus haute possible : donc pourquoi perdre de la temperature dans les echangeur : la temperature du bloc est tous a fait bonne pour la vapeur d'eau : pourquoi chercher un autre fluide

le bloc sert de chaudiere a vapeur : il n'y a pas grand chose a renforcer

la vapeur sortant du bloc peut etre legerement surchauffé par l'echappement

[alopex]

le bloc sert de chaudiere a vapeur : il n'y a pas grand chose a renforcer

Ton idée est a priori séduisante, mais je ne suis pas convaincu qu'un bloc moteur puisse servir de chaudière à vapeur. En effet, pour que ton cycle à vapeur soit efficace, il faut vaporiser à pression élevée (au moins 40-50 bars pour avoir un minimum de rendement). Je doute que le bloc résiste à de telles pressions, surtout à haute température.

[alopex]

...à moins de ne pas utiliser de la vapeur d'eau pour le circuit secondaire mais un autre fluide ayant une température d'ébulition inférieure, l'éthanol ou l'amoniaque ou autre (à choisir selon leur température d'ébulition par rapport à la température ambiante ou à la source froide disponible)

C'est effectivement ce à quoi je pense (cf les machines fabriquées par turboden qui utilisent un fluide organique à la place de la vapeur). On peut même aller plus loin avec des cycles utilisant un fluide diphasique (style H2O/NH3 par exemple), car alors on n'a plus le palier de vaporisation ce qui doit permettre d'optimiser les rendement d'échangeurs.

[wizz]

avec un fluide secondaire ayant une température d'ébulition inférieure ( disons 50°C), on aura alors à température équivalente après l'échangeur final de l'échappement (disons 200°C) une pression supérieure que si on avait utilisé de l'eau.

La chaleur de l'échappement servira à chauffer un gaz (qui s'est déjà évaporé après l'échangeur avec l'eau de refroidissement du bloc moteur) juste avant la turbine. L'augmentation du volume de vapeur (du fluide secondaire), donc de pression sera plus efficace.

En surchauffant l'eau avec les gaz d'échappement, on aurait perdu beaucoup de calories à cause de la chaleur latente de l'eau.

[michel dhieux]

bonsoir a tous:
je viens de voir le brevet WO/2007/113403..... ce n est pas vieux:
je cite quelques passages,
une majeure partie de l énergie est perdue sous forme de chaleur. une grande
partie de la chaleur perdue se trouve au niveaux des gaz d échappement et du fluide de refroidissement circulant.... cette invention consiste en une système permettant le transformation de l énergie thermique produite par un moteur a combustion interne en électricité.

j ai envie de dire en voyant cette phrase et les posts de tous ci dessus:

"le problème d une invention ,c est que beaucoup pensent sensiblement la même chose et au même moment sur une étude bien précise."
Michel

[chatelot16]

ton brevet recent ne vaut rien car il y a eu il y a lontemps une locomotive a vapeur dont la chaudiere etait un moteur diesel

au etat unis vue sur ce forum : locomotive kitson still ou un nom dans le genre

il y en as toujours qui se croient malin en brevetant des truc de facon bizarre pour qu'on ne voie pas que ca a deja existé mais ca fait des brevet qui ne valent rien

[chatelot16]

c'est la temperature de la chaudiere qui compte pour le rendement d'un cycle thermique le choix du fluide permet seulement de choisir la pression

tant que la pression de l'eau convient ce n'est pas la peine de chercher autre chose