CONTRIBUTION A L’ETUDE DES EFFETS DU BIODIESEL

 CONTRIBUTION A L’ETUDE DES EFFETS DU BIODIESEL

 POINTS SUR LES THEORIES DE BASE EN THERMODYNAMIQUE

La thermodynamique est la science qui étudie, à l’origine, les interactions (échanges) chaleur/ travail sur un corps, c’est-à-dire le déplacement des corps (dynamique) soumis à la chaleur (thermo) : moteurs thermiques par exemple ou, inversement, qui étudie la chaleur captée ou rejetée par un corps soumis à une déformation ou un déplacement (réfrigérateurs par exemple).

QUELQUES NOTIONS

1- La chaleur

La chaleur représente une forme d’énergie ; en fournissant une quantité de chaleur [Q], nous pouvons obtenir un travail. L’unité de chaleur est désignée par Joule calorifique [J]. En thermodynamique, la chaleur reçue par un système (corps ou ensemble de corps isolés par la pensée du milieu environnant) sera comptée positivement, une chaleur cédée sera comptée négativement.

Sources de chaleur

On définit une source de chaleur comme étant un système capable de fournir ou d’absorber de la chaleur tout en restant à température constante: cela nécessite une grande capacité calorifique (atmosphère, océans, rivières) ou un changement d’état. Dans le cas des systèmes dithermes, on distingue la source chaude de température T1 et la source froide de température T2: La source chaude est toujours la source à la température la plus élevée T1 > T2.  Chaleur massique et chaleur latente La chaleur massique ou chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de l’unité de masse d’un corps. Cette quantité de chaleur est exprimée en [J/°K.Kg]. La chaleur latente est la quantité de chaleur que doit perdre ou gagner le corps pour changer de phase et non pour augmenter sa température. Un changement de phase s’effectue toujours à température constante (et pression constante aussi d’ailleurs). 

Travail

Le travail (W) est une autre forme d’énergie que la chaleur, c’est l’énergie qui intervient dès qu’il y a mouvement ou déformation d’un corps. L’unité de mesure est en Joule [J] En prenant un exemple : Travail de la force de pression. La pression d’un gaz sera à l’origine du travail effectué par le gaz, ce qui aboutira au déplacement d’un piston (moteurs thermiques). Supposons avoir un cylindre muni d’un piston et rempli de gaz. Appliquons une pression extérieure Pext sur le piston, en admettant que le déplacement est suffisamment lent pour avoir la pression P du gaz égale à la pression Pext, on démontre facilement que le travail reçu par le gaz au cours de la transformation est :

Gaz parfait G.P (ou gaz simple) E

quation d’état On a dit que l’état d’un gaz est décrit par la donnée de 3 paramètres : pression P, volume V et température T que l’on nomme « variables d’état ». Ces 3 variables thermodynamiques sont liées par la relation caractéristique, dite « équation d’état », suivante : PV n R T . . . = (2-1) Avec : n est la quantité de matière [mol] R est la constante de gaz parfaits 1 1 8,31434 0.00035 . . J K mol − − ≈ ±     1 mole de gaz contient 23 ≈ ± 6,02252 0.00009.10 molécules de gaz Cette relation est indépendante de la nature de gaz : elle est pour l’O2, le CO2, l’hélium etc.… Dans la pratique, on utilise souvent la masse d’un gaz au lieu de sa quantité de matière. Dans ce cas, l’équation du gaz (puisqu’elle dépend alors de la nature du gaz étudié) s’écrit : PV m r T . . . = (2-2) Figure 1: Travail de la force de pression d’un piston POINTS SUR LES THEORIES DE BASE EN THERMODYNAMIQUE 4 P V 1 2 3 4 5 T Cte P = T Cte V = Avec: m est la masse du gaz [Kg] et r est la constante thermodynamique du gaz considéré [ 1 1 J K Kg . . − − ] (r R M = / (2-3) avec M est la masse molaire du gaz). 

LES TRANSFORMATIONS CLASSIQUES REVERSIBLES 

Dans un processus réversible, on peut aussi faire revenir le système à son état initial en suivant un parcours thermodynamique en sens inverse. Trois conditions doivent être satisfaites pour qu’une transformation soit réversible:  Elle doit être quasi statique (les variables d’état (P, V, T) d’un système varient extrêmement lentement).  Elle ne doit pas y avoir de frottement;  Tout transfert de chaleur doit se faire à température constante ou doit correspondre à une différence de température infinitésimale. On désigne par 1 et 2 respectivement l’état initial et l’état final du système 1 – Transformation Isochore : Volume constant ( PV Cte ∞ = ) (2-4) Au cours de cette transformation, le volume reste constant (V= constant =V1=V2, alors dV=0) Pour Etat (1) : 1 1 P V n R T . . . = État (2): 2 2 P V n R T . . . = 2 – Transformation Isobare : Pression constante ( 0 PV Cte = ) (2-6) Dans ce cas, la pression reste constante (P= Constante =P1 = P2 et dP=0), on a alors : Eta t(1) : 1 1 PV n R T . . . = Etat (2) : 2 2 PV n R T . . . = 3 – Transformation Isotherme : température constante ( 1 PV Cte = ) (2-8) Figure 2: Diagramme de Clapeyron 5 P V Cte . = Au cours d’une transformation isotherme, la température reste constante (T= Constante =T1 = T2 et dT=0, on a : Etat (1) : 1 1 P V n R T . . . = Etat (2) : 2 2 P V n R T . . . = 4 – Transformation polytropique ( k PV Cte = ) (2-10) La transformation polytropique est caractérisée par une transformation avec le milieu extérieur (dQ ≠ 0), avec k est l’exposant polytropique, on a alors: . k PV Cte = ou 1 1 . . k k T V Cte T P Cte γ − − = = (2-11) 5 – Transformation adiabatique ( PV Cte γ = ) (2-12) réversible : sans changement de chaleur avec le milieu extérieur On dit qu’un système subit une transformation adiabatique s’il n’y a pas d’échange de chaleur avec le milieu extérieur, donc : dQ = 0 ; . PV Cte γ = et 1 T V Cte . γ − = 1 T P Cte . γ γ − = (2-13) Avec p v C C γ = (exposant adiabatique) (2-14) Cp est la capacité calorifique massique à pression constante CV est la capacité calorifique massique à volume constant 

LES DEUX PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE

Le premier principe de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l’énergie : une variation d’énergie interne est due à une apparition de chaleur et/ou de travail. C’est le principe qui est l’origine des moteurs thermiques (diesel, essence, etc.…) : une combustion dégagera de l’énergie qui sera convertie pour une partie en chaleur et pour l’autre partie en travail (c’est le travail récupéré qui nous intéresse pour les moteurs). Le premier principe de la thermodynamique nous apprend que : U = W + Q (énergie interne) (2-4) Avec W le travail des forces extérieures au système et Q la chaleur échangée avec le milieu extérieur du système.  Pour un système ouvert (qui ne dépend que des états initial et final du système): dU dW dQ = + (2-15) (2-9) POINTS SUR LES THEORIES DE BASE EN THERMODYNAMIQUE 6 P V 1 2 3 4 Q1 Q2 Source chaude Source froide T1 T2  Pour un système fermé (à la fin d’une transformation le système revient à l’état initial) : W Q+ = 0 (2-16) (W>0 et Q<0 ou W<0 et Q>0 ou W=0 et Q=0) I-3-2- Le second principe de la thermodynamique ou principe de cycle réversible ditherme Le second principe annonce qu’il faut au moins deux sources de chaleurs en contacts avec le gaz pour réaliser un moteur thermique. Le cycle est dit ditherme s’il se déroule entre 2 sources de chaleur. Et, le seul cycle ditherme réversible possible est donc le cycle composé de 2 isothermes et de 2 adiabatiques (qui permettent, sans contact avec les sources, de passer de l’isotherme chaude T2 à l’isotherme froide T1) : ce cycle est appelé cycle de Carnot. Les chaleurs échangées lors du cycle Q1 et Q2 sont alors forcément échangées sur les isothermes puisque les adiabatiques n’échangent pas de chaleur avec les sources (par définition d’une adiabatique). Le cycle de Carnot est le cycle ditherme réversible : il assure le rendement maximal du moteur en contact avec 2 sources. 3→4 Compression isotherme : Le gaz est mis en contact avec un réservoir froid à la température T2 et il subit une compression isotherme de « 3 » à « 4 ». Le gaz effectue un travail négatif W3-4et cède une quantité égale de chaleur |Q2| au réservoir froid. 4→1 Compression adiabatique : La dernière étape est une compression adiabatique de « 4 » à « 1 » durant laquelle la température monte jusqu’à T1. Le travail adiabatique effectué par le gaz est égal à l’opposé du travail de l’étape 2, c’est-à-dire W4-1 = -W2-3, parce que les variations d’énergie interne ont la même valeur absolue.

Table des matières

Chapitre I : POINTS SUR LES THEORIES DE BASE EN THERMODYNAMIQUE
I-1- Quelques notions
I-1-1- La chaleur
I-1-1-1- Définition
I-1-1-2- Sources de chaleur
I-I-1-3- Chaleur massique et chaleur latente
I-I-2- Travail
I-1-3- Gaz parfait G.P (ou gaz simple)
I-2 – Les transformations classiques réversibles (G.P)
I-3- Les deux principes de la thermodynamique
I-3-1- Le premier principe de la thermodynamique
I-3-2- Le second principe de la thermodynamique ou principe de cycle réversible ditherme
I-4- Grandeurs d’énergie
I-4-1- Travail échangé avec le milieu extérieur
I-4-2- Quantité de chaleur échangée
I-4-3- Energie interne
I-4-4- Enthalpie
I-4-5- Entropie
Chapitre II : RAPPELS ET NOTIONS SUR LE MOTEUR THERMIQUE
II-1- Généralités
II-1-1- Définition d’un moteur thermique
II-1-2- Mode de conversion énergétique chaleur énergie mécanique
II-1-3- Modes d’apport de chaleur
II-1-4- Les cycles thermodynamiques théoriques
II-2- Moteur à combustion interne
II-2-1- Description des organes constitutifs
II-2-2- Principe de fonctionnement
II-2-2-1- Moteur à deux temps
II-2-2-2- Moteur à quatre temps
II-3- Moteur diesel
II-3-1- Historique
II-3-2- Définition
II-3-3- La combustion dans le moteur diesel
II-3-3-1- Combustible utilisé
II-3-3-2- Les principales propriétés des huiles combustibles pour Diesel
II-3-3-3- La combustion
II-3-4- Alimentation en air et carburant
II-3-4-1- Alimentation en air
II-3-4-2- Alimentation en combustible
II-3-5- Classification des moteurs Diesel
II-3-5-1- Moteur à injection directe
II-3-5-2- Moteur à injection indirecte
PARTIE II : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I : GENERALITES SUR LE JATROPHA CURCAS
I-1- Jatropha Curcas
I-1-1- Description botanique
I-1-2- Plantation de Jatropha curcas
I-1-3- Pays producteurs
I-2- Huile de Jatropha Curcas
I-2-1- Méthode d’extraction de l’huile de Jatropha
I-2-2- Propriétés de l’huile de Jatropha curcas
I-2-2-1-Propriété physique
I-2-2-2-Propriété chimique
I-2-3- Composition de l’huile de Jatropha curcas
I-2-4- Rendement en huile
Chapitre II : APERÇU GLOBAL SUR LES BIODIESELS
II-1- introduction
II-2- Historique
II-3- Définition
II-4- Procédé de fabrication du biodiesel au niveau industriel
II-5- Comparaison de quelques propriétés physico-chimiques des huiles végétales pures et des
esters éthyliques ou méthyliques ainsi que du gasoil
Chapitre III: ELABORATION DU BIODIESEL DE JATROPHA CURCAS « LA TRANSESTERIFICATION »
III-1- Généralité
III-1-1- Définition de la transestérification
III-1-2- But de la réaction de transestérification
III-2- Transestérification par l’éthanol
III-2- 1-Principe général de la réaction
III-2-2- Les réactifs
III-3- Essais expérimentaux et résultats obtenus
III-3-1- Matériels utilisés
III-3-2- Processus de la transestérification a l’éthanol par catalyse basique au laboratoire
III-3-2-1- Préparation de réactifs
III-3-2-2- Préparation de la solution de catalyseur
III-3-2-3- Mise en réaction
III-3-2-4- Décantation
III-3-2-5- Séparation des phases
III-3-2-6- Action de l’évaporateur rotatif à sous vide
III-3-3- Essais et résultats
III-3-3-1- Premier essai
III-3-3-2- Deuxième essai
III-3-3-3- Interprétation
III-3-4- Remarque
III-4- Analyse chromatographique
III-4-1- Interprétation
III-4-2- Conclusion
PARTIE III : ETUDES EXPERIMENTALES AU NIVEAU DU MOTEUR D’ESSAI
Chapitre I: CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET PARAMETRES THERMODYNAMIQUES DU
MOTEUR D’ESSAI
I-1- Caractérisation du moteur d’essai
I-1-1- Désignation du moteur
I-1-2- Caractéristiques du moteur
I-2- Détermination des paramètres thermodynamiques pour le moteur alimenté au biodiesel de jatropha
I-2-1- Hypothèses
I-2-2- Les paramètres thermodynamiques
Chapitre II: PHENOMENE DE FROTTEMENT A L’ENDROIT DES PIECES MECANIQUES A
L’INTERIEUR DU MOTEUR A COMBUSTION
II-1- LA TRIBOLOGIE
II-1-1- Généralités
II-1-1-1- Importance de la tribologie
II-1-1-2- caractéristique de la tribologie
II-1-2- Etude d’état de surface
II-1-2-1- Types de surface
II-1-2-2- Caractéristiques d’une surface réelle
II-1-2-3- Les ordres de défauts d’une surface géométriqu
II-1-2-4- Paramètres caractéristiques des états de surface
II-1-3- Définition et modèle d’usure
II-1-3-1- Définition de l’usure
II-1-3-2- Modèle d’usure
II-2- CARACTERISATION DES PIECES MISES EN JEU
II-2-1- Introduction
II-2-2- Les segments
II-2-2-1- Différents types de segments et leurs rôles
II-2-2-2- Matériaux spécifiques pour les segment
II-2-2-3- Les forces appliquées sur le segment
II-2-3- Le piston
II-2-3-1- Forme géométrique
II-2-3-2- Rôles
II-2-3-3- Qualités du piston
II-2-3-4- Fabrication et matériau
II-2-4- La chemise (ou cylindre)
II-2-4-1- Description
II-2-4-2- Etat de surface
II-2-4-3- Matériau utilisé
II-2-5- Frottement dans la zone segment-piston-chemise
II-2-5-1- Définition du frottement
II-2-5-2- Mise en évidence de l’existence du frottement dans l’ensemble segmentpiston-chemise
II-2-5-3- Frottement de segment avec la chemise
II-2-5-4- Frottement jupe de piston sur la chemise
Chapitre III : CONDUITE DES ESSAIS ET EVALUATION DES MESURES DANS LA ZONE
SEGMENT– PISTON – CHEMISE
III-1- Dispositif expérimental
II-1-1- Présentation générale du rugosimètre SM4
III-1-2- Paramètres à mesurer
III-1-3- Points de mesure
III-2- Techniques de mesure
III-2-1- Déroulement des essais
III-2-2- Calibrage de l’appareil de mesure rugosimètre SM4
III-3- Evaluations des mesures dans la zone segment-piston-chemise
III-3-1- Initialisation de mesure
III-3-2- Première mesure de rugosité de la chemise avant les essais
III-3-3- Deuxième mesure de rugosité après 5heures de fonctionnement au gasoil
III-3-3-Troisième mesure de rugosité après 5 heures de fonctionnement au biodiesel de Jatropha
III-3-5- Remarque
III-3-6- Courbes de variation des paramètres de rugosité pour les deux combustibles.
III-3-7- Interprétation
III-3-8- Conclusion
Chapitre IV: ETUDES DES EFFETS DE L’INTERACTION BIODIESEL ET HUILE
LUBRIFIANTE
IV-1- GENERALITES SUR LA LUBRIFICATION DES MOTEURS
IV-1- 1- La lubrification du moteur
IV-1-1-1- Rôle du lubrifiant
IV-1-1-2- Les différents modes de graissage
IV-1- 2- Composition des lubrifiants
IV-1- 3- Classification des huiles lubrifiantes
IV-2- DESCRIPTIONS DES TRAVAUX EXPERIMENTAUX
IV-2-1- Caractéristiques de l’huile données par le fournisseur
IV-2-2- Etudes expérimentales en utilisant le moteur d’essai
IV-2-2-1- Description de la dégradation de l’huile lubrifiante du moteur Phénomène de Blow-by
IV-2-2-2- Déroulement des essais
IV-2-2-3- Résultats d’analyse de l’échantillon d’huile lubrifiante après 5 heures de marche avec le biodiesel de jatropha
IV-2-2-4- Interprétation des résultats obtenus
IV-2-3- Etat du piston et de la culasse après chaque essai
PARTIE IV : APERCU SUR LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ET SOCIO ECONOMIQUES
INTRODUCTION
Chapitre I : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
I-1- Préambule
I-2- Analyse des impacts
I-2-1- Les impacts positifs
I-2-2- Les impacts négatifs
Chapitre II : IMPACTS SOCIO-ECONOMIQUES
II-1- Les impacts positifs sur le plan socio-économique
II-2- Les impacts négatifs sur le plan socio-économique
II-3- Mesures d’atténuation des effets néfastes

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