Calculs sur le cycle de l'air comprimé pour une motorisation

[bernardd]

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.

Jamais entendu parler de vraie ou de fausse énergie ;-)

On est bien d'accord qu'il faudra parler de compression et de décompression, mais j'ai appris à décomposer les problèmes pour les résoudre.

Pour le moment, restons à la décompression à partir d'un réservoir à une certaine pression : prenons par exemple un réservoir de V=230l à P=350bar pour T=293°K.

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.

Comme pour toute matière, non ?

C'est une énergie "potentielle" au sens premier d'une énergie "non libérée", exactement comme un ressort comprimé, comme une pierre à 1465m, ou comme 1l d'eau dans un barrage.

Et franchement que la pierre ait été déposée par une hirondelle d'asie ou une hirondelle d'afrique ne change pas son énergie potentielle, pas plus que l'on se préoccupe si 1l d'eau d'un barrage provient de l'urine de lièvre variable ou de pigeon voyageur balte.

Il se trouve que l'énergie interne correspond au travail que l'on peut récupérer lors d'une détente adiabatique, c'est à dire sans échange d'énergie avec l'extérieur, lorsque qu'on conserve exactement l'énergie, sans en perdre et sans en ajouter :
Eentrée=Esortie.

Et on a dans ce cas idéal EfficacitéEnergétique=Eentrée/Esortie=1

Jusque là, ca va ?

[Remundo]

pas vraiment Bernard

En physique, une énergie potentielle est toujours rattachée à des forces d'interaction.

Alors qu'une énergie cinétique n'est rattachée qu'à un mouvement (macro ou microscopique). Dans un système thermodynamique, il y a 4 formes d'énergie : microscopique/macroscopique et cinétique/potentielle.

L'énergie interne regroupe toutes les formes microscopiques d'énergie, pour un gaz parfait, ça se limite à la cinétique microscopique et vaut 5/2 nRT pour un diatomique avec 5 ddl.

En ce qui concerne la pression, je me garde bien de parler d'énergie potentielle. Disons qu'il existe un travail méca récupérable. Comme je l'ai déjà écrit, il vaut en détente isotherme n R T ln (Pi/Pf)

en isotherme, ça n'a rien à voir avec une récupération d'énergie interne, d'ailleurs celle-ci reste constante pour un gaz parfait en évolution isotherme (1ère loi de Joule) et ne varie que très faiblement avec des gaz réels.

Par contre, comme tu le dis, une détente adiabatique récupère une partie de l'énergie interne en travail méca, mais pour une application atmosphérique, une haute pression initiale est impérative. Et il a fallu au préalable fournir la même énergie mécanique (même un peu plus pour compenser les pertes) !

Si dans la nature il y avait des sources d'air comprimé à 100 bar, ça serait bien. L'air de l'atmosphère à 1 Bar ne peut rien donner d'intéressant en détente dans cette même atmosphère. C'est évident, non ?

C'est ça que tu ne piges pas bien : il faut fournir du travail méca au préalable pour disposer d'une source exploitable d'air comprimé, et au mieux on récupèrera 100% de ce travail à la détente.

Sinon, pour convertir 100% de l'énergie interne d'un système en travail méca, théoriquement, il te faut une source froide au zéro absolu.

Mais à mon avis tu sais tout ça... Dis nous Bernard où veux tu en venir avec l'air comprimé... un système ingénieux, un cycle intéressant ?

[dedeleco]

Amusant les contradictions :
Remundo :

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

cet extrait de cours de base est en totale contradiction avec l'affirmation bizarre par chatelot16 :

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

qui sort d'où ? ? car en détente, la pression diminue avec le volume qui croit donnant un travail (intégrale de PV) exploitable indéniablement.
Si l'air se refroidit dans la détente, alors, plus froid, il se contracte diminuant la variation de volume et donc on récupère moins de travail, mais jamais zéro pour l'énergie mécanique !!! !!
Avec une pompe bicyclette on peut vérifier cette réalité !!!

[Ptilu]

Bonjour
Je suis ce fil depuis sa création, et je vous le dit tout de suite, pour moi l'air comprimé est une forme de stockage vraiment inefficace pour les petites puissance. D'abord, il faut ce caler sur la thermo. Il existe 2 moyen de passer d'une pression à une autre : isotherme ou isentropique (adiabatique + réversible).

La composante réversible est extremement importante, car elle dépend des frottement, inéluctable (aux oubliettes le mouvement perpétuel).

Pour continuer la thermo, c'est la différence d'enthalpie spécifique qui détermine l'énergie potentiel du moteur (et non l'énergie interne).

Ensuite pour réaliser une détente isentropique il existe deux moyen : machine volumétrique ou turbomachine. La réversibilité est une vue de l'esprit (à cause des frottements) mais l'adiabatique, comme ces machines réalisent leur transformation à haute vitesse. On à donc pour un GP à gamma constant (et l'air peut être assimilé à un gaz parfais avec une très bonne approximation). On parle de rendement isentropique (en général 80% à 95%suivant les machines). Les turbomachines ont en général un meilleur rendement isentropique que les volumétriques. Pour ces dernières, on a également un rendement volumétrique due au remplissage toujours imparfais.

Ensuite pour le cycle complet (du conditionnement de ton air comprimé à la propulsion de ton véhicule) tu as donc une compression (adiabatique) puis un refroidissement (isobare) et enfin une détente (adiabatique). Donc, il faut comparer les différence d'enthalpie :
Dh(détente)/Dh(détente).

Prenez le diagramme de Mollier (h,s) On monte verticalement, on suit l'isobare vers la gauche jusqu'à la température initiale, et enfin on descend à la verticale juqu'à la pression initiale. Vous verrez que :

Dh(détente) < Dh(compression) soit : efficacité < 100%

multipliez par les rendement isentropiques et volumétrique (suivant les machines) et là c'est le carnage.

Si on utilise des détentes isothermes alors cette efficacité théoriques est bien de 100%. Mais le pincement (différence de température entre le gaz et l'extérieure, nécéssaire au transfert thermique) réduira à néant cet avantage. De plus le rendement volumétrique est forcement présent...

Reste enfin le problème de la densité énergétique, qui font que l'air comprimé n'est même pas envisageable comme moyen de stockage pour la propulsion de véhicule. Pour moi, pire que la pile à combustible et l'électrique (ordre croissant).

Par contre pour le stockage de masse, afin de lisser la demande énergétique, cela doit être étudier.

Une autre piste serais peut être en hybride, en modifiant le moteur de manière à générer l'échappement directement après la compression lors des freinages, et de le réintroduire lors des accélération.

[Alain G]

Aie Aie aie!

On ne peut même pas compresser l'air sans la refroidir pour la mettre dans un réservoir sinon la capacité de ce reservoir diminueras énormément!

La seule façon de ne pas givrer un moteur à air est d'utiliser qu'une partie de cette pression et de la réchauffer et de réutiliser encore qu'une partie de cette pression et de la réchauffer et ainsi de suite jusqu'à la detente totale!

Je n'entre pas dans les chiffres car il semble que beaucoup d'entre vous vont me botter le cul et ne faire qu'une bouché de moi mais je suis un gars de terrain avec de l'expérience pratique et très bien informé sur les nouvelles technologies et je n'ai malheureusement rien vu concernant l'utilisation de l'air comprimé qui soit concluant si ce n'est que MDI qui prétent depuis des années avoir la solution pour extirper des crédit aux malheureux qui se sont fait avoir par un hurluberlu qui a profité du fait qu'il ait fait de la formule 1!

Je n'ai pas dis que théoriquement c'est impossible mais en pratique c'est tout autre choses!

[chatelot16]

Amusant les contradictions :
Remundo :

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

cet extrait de cours de base est en totale contradiction avec l'affirmation bizarre par chatelot16 :

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

non il n'y a pas de contradiction : ta formule donne l'energie de l'air comprimé en detente parfaitement isotherme : mais ne s'oppose pas a une autre formule qui dit que l'energie thermique absorbé pendant la detente doit etre egale a cette energie mecanique

et avec ma remarque j'explique que cette energie thermique absorbé n'aporte aucune energie mecanique utile : mais cette energie thermique est pourtant indispensable sinon le moteur se refroidit et n'est plus isotherme

donc 2 solution : enorme echangeur pour se contenter de l'air ambiante , ou chauffage a combustible

si on brule du combustible pour fournir cette quantité de chaleur , inutile de se contenter de la temperature ambiante : l'exes de temperature facilité les echange thermique et tous sera plus leger , et le moteur a air fait un moteur thermique pour le meme prix

[chatelot16]

autre facon d'expliquer : quand on a des machine thermique parfaite et reversible , comme la detente isotherme , on le moteur thermique de carnot , on peut les juxtaposer comme on veut : l'assemblage de ces 2 machine donne le meme resultat qu'une machine plus compliqué qui ferait les 2 a la fois de facon reversible aussi

c'est donc pour cela que je remplace (pour simplifier le calcul) le moteur a air chauffé par un moteur a air isotherme + un moteur thermique ayant pour source chaude ce chauffage et pour source froide la temperature ambiante du moteur isotherme

ma juxataposition de ces 2 machine ne donne pas le rendemnt reel du moteur a air comprimé et chauffé : il ne donne que le rendement maximum possible si tout etait parfait

[chatelot16]

Aie Aie aie!

On ne peut même pas compresser l'air sans la refroidir pour la mettre dans un réservoir sinon la capacité de ce reservoir diminueras énormément!

entierement d'accord : deja a 10 bar la temperature de compression adiabatique est enorme

et a 10 bar le volume d'un reservoir pour une enrergie suffisante est enorme , vouloir l'isoler pour le garder chaud le rendrait encore plus enorme

il faut au moins 200bar pour que stockage a air ne soit pas ridicule : 200bar adiabatique et tout est fondu !

compression isotherme + detente isotherme ne peut servir que pour une transmission a air comprimé a faible pression et gros debit , genre airstart pour faire demarer les avion a reaction

ou prise d'air sur les turboreacteur pour faire marcher la climatisation

meme en travaux public les compresseur de chantier a 8bar ne peuvent pas etre adiabatique : ca ferait surchauffer et eclater les tuyaux souples

[chatelot16]

Reste enfin le problème de la densité énergétique, qui font que l'air comprimé n'est même pas envisageable comme moyen de stockage pour la propulsion de véhicule. Pour moi, pire que la pile à combustible et l'électrique (ordre croissant).

Par contre pour le stockage de masse, afin de lisser la demande énergétique, cela doit être étudier.

Une autre piste serais peut être en hybride, en modifiant le moteur de manière à générer l'échappement directement après la compression lors des freinages, et de le réintroduire lors des accélération.

entierement d'accord : le poid du bazar a air comprimé est prohibitif : largement pire que la batterie au plomb : il n'y a que MDI pour y faire croire des gogo

meme pour du stockage fixe je n'y crois pas beaucoup : une batterie n'est pas plus cher qu'un reservoir d'air pour la meme energie et est plus facile a utiliser

on peut y croire pour un vehicule hybride a tres faible stockage d'energie : juste recuperation d'un freinage pour relancer l'engin ensuite : aucune batterie electrique ne supporte d'etre chargé et vidé en quelque seconde : ca ne pose pas de probleme a un reservoir d'air

on peut rever a utiliser la mecanique du moteur a explosion comme compresseur et moteur avec un minimum de poid supplementaire , mais je ne vois pas ca bien utile pour une voiture ordinaire : peut etre pour un bus avec beaucoup d'arret et redemarage , ou un chargeur sur pneu qui passe son temp a avancer et reculer

[dedeleco]

Amusant, l'air comprime et excite le cerveau de certains !!! mais on est d'accord au fond!

Que pensez vous de la voiture à ressorts comprimés ou à caoutchouc !!
Quelle distance parcourra t'elle ? Peut on faire mieux ou moins bien, que l'air comprimé ?

Avis global général : on met en jeu les interactions inter-atomiques (Van der Waals) dans tous les cas, qui donnent les états solides, liquides et gazeux avec la température, et donc leur énergie par atome est de l'ordre de la température de ces transitions soit dans la gamme de 100°K.

Au contraire les carburants chimiques usuels de réactions chimiques sont dans la gamme de l'électron Volt, donc 10000°K (infrarouge proche) donc avec une autonomie pour le même poids de carburant dans les 100 fois plus grande que l'air comprimé ou les ressorts!!
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron-volt
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronvolt
100 kilos d'air ou de ressorts donneront la même autonomie que le kilo d'essence ou de fioul autour de 10Km !!

Et le nucléaire avec le million d'eV donne un million de fois plus soit le kilo d'uranium fissile ou d'hydogène subissant la fusion donne 10 millions de Km !!

Notre soleil fait cette fusion à la cadence de tonnes d'hydrogène par seconde depuis 5 miiliards d'années !!

Il faut en profiter, gratuit !!