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RÉSUMÉ
Les convertisseurs thermomécaniques tels que l’ensemble des moteurs thermiques, les machines frigorifiques ou les pompes à chaleur, convertissent l’énergie thermique en énergie mécanique et vice et versa. Leur fonctionnement est régi par les deux principes de la thermodynamique, qui sont la conservation de l’énergie et les transferts d’énergie des hautes vers les basses intensités. Cet article reprend ces notions générales en rappelant le principe du cycle de Carnot. Sont ensuite présentés et analysés les deux types de cycles des convertisseurs, celui adapté aux machines à compression de gaz, et celui adapté aux machines à compression de vapeur.
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Auteur(s)
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Les convertisseurs thermomécaniques ont pour rôle de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique et vice et versa. Ce sont, d’une part, les différents moteurs thermiques : moteurs à essence et moteurs Diesel, turbines à gaz ou à combustion et turboréacteurs, installations motrices à vapeur, etc., d’autre part, les machines frigorifiques et pompes à chaleur à compression mécanique de gaz ou de vapeur. On les trouve dans tous les secteurs économiques : transport, industrie, agriculture et résidentiel.
L’ensemble des quatre dossiers Convertisseurs thermomécaniques- Conversion de l’énergie. Cycles générateurs, Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule, Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Beau de Rochas et Diesel et Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à vapeur et combinés. Cogénération consacrés à ces machines ne donne que leur principe de fonctionnement à travers l’étude des cycles thermodynamiques d’évolution du fluide de travail conduisant à la conversion d’énergie. Le fonctionnement pratique de ces machines fait l’objet de nombreux autres dossiers des Techniques de l’Ingénieur aussi bien dans le traité de Génie énergétique que dans celui des Machines hydrauliques et thermiques.
La théorie fondamentale du fonctionnement de ces machines fait appel aux deux principes de la thermodynamique, celui de la conservation de l’énergie et celui du sens (ou de la « flèche ») des transferts d’énergie des hautes intensités vers les basses intensités. Ainsi, la première partie de ce dossier est consacrée à une présentation résumée de ces principes. La notion générale de convertisseur thermodynamique, associée à l’évolution cyclique du fluide de travail et à celle de rendement, complète cette analyse basique. Le cycle de Carnot, moteur ou générateur, qui sert de base de comparaison pour toutes les machines réelles est aussi introduit.
Les cycles des machines frigorifiques et ceux des pompes à chaleur, convertisseurs mécano-thermiques, sont strictement les mêmes. Fondamentalement, il en existe deux, l’un adapté aux machines à compression de gaz, l’autre aux machines à compression de vapeur qui sont, de loin, les plus nombreuses. Chacun de ces cycles est analysé sous sa forme basique ainsi que sous ses différentes variantes. Enfin, une analyse exergétique du fonctionnement de ces machines conclut ce dossier.
Les dossiers Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule, Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Beau de Rochas et Diesel et Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à vapeur et combinés. Cogénération sont réservés à une présentation analogue pour les convertisseurs strictement thermomécaniques que sont les divers moteurs thermiques à gaz, à flux continu ou alternatif et à vapeur.
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- Version courante de août 2017 par André LALLEMAND
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Conversion de l’énergie2. Cycles des générateurs thermiques
Que ce soit une machine frigorifique ou une pompe à chaleur, les cycles thermodynamiques de base sont absolument identiques. Comme cela a été indiqué plus haut, la distinction entre ces deux types de machines ne réside que dans l’utilisation des échanges thermiques qui y sont faits.
Deux types de cycles fondamentaux de conversion mécano-thermique sont à la base du fonctionnement des générateurs thermiques : les cycles à gaz et les cycles à vapeur.
2.1 Cycles des générateurs à gaz
2.1.1 Cycle de Joule. Coefficient de performance
Le cycle basique des machines frigorifiques ou des pompes à chaleur à gaz est constitué de deux isobares et de deux isentropes ou adiabates réversibles. Le gaz étant considéré comme parfait, les isobares dans le diagramme T, S sont des exponentielles déduites les unes des autres par translation horizontale ([BE 8 020] et Diagrammes thermodynamiques- Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux). Le cycle a l’allure de celui qui est représenté sur la figure 13 a. C’est le cycle de Joule dans lequel :
-
le gaz est comprimé de 1 à 2 de manière adiabatique réversible, donc isentropique [cf. équation [6]] ;
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le gaz cède de la chaleur au milieu extérieur chaud entre 2 et 3 ;
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le gaz est...
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