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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 générateurs thermomécaniques, celui adapté aux machines à compression de gaz, et celui adapté aux machines à compression de vapeur.
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités en retraite - Ancien directeur du département de génie énergétique de l’INSA de Lyon
INTRODUCTION
Les convertisseurs thermomécaniques ont pour rôle de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique et vice 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 articles [BE 8 050] [BE 8 051] [BE 8 052] et [BE 8 053] 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 articles notamment dans les pack « Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques » et « Froid industriel » et dans la base documentaire « Le chauffage, la climatisation et l’eau chaude sanitaire ».
Ce premier article [BE 8 050] est consacré d’une façon générale à la conversion de l’énergie et plus spécifiquement aux cycles des générateurs thermiques qui sont strictement les mêmes pour les machines frigorifiques et pour les pompes à chaleur.
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.
Les articles [BE 8 051] [BE 8 052] et [BE 8 053] 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 archivée 1 de juil. 2006 par André LALLEMAND
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Conversion de l’énergie
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2. 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 mécanothermique 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] [BE 8 041]. 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 (14)] ;
-
le gaz cède de la chaleur au milieu extérieur chaud entre 2 et 3 ;
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le gaz est ensuite détendu isentropiquement dans une machine de détente entre 3 et 4 ;
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enfin, il reçoit de la chaleur du milieu extérieur froid entre 4...
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Cycles des générateurs thermiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOREL (L.) - Thermodynamique et énergétique. - Presses polytechniques romandes, Ecublens (1987).
-
(2) - GICQUEL (R.) - Systèmes énergétiques. Tome I, Méthodologie d’analyse. Bases thermodynamiques. - École des Mines de Paris (2001).
-
(3) - BEJAN (A.), KRAUS (A.D.) - Heat transfer handbook. - Wiley, New York (2003).
-
(4) - FEIDT (M.) - Énergétique. Concepts et applications. - Dunod, Paris (2006).
-
(5) - LALLEMAND (A.) - Exercices et problèmes de thermodynamique. - Ellipses, Paris (2011).
-
(6) - LALLEMAND (A.) - Phénomènes de transferts. - Ellipses, Paris (2012).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Thermodynamique appliquée – Premier principe. Énergie. Enthalpie.
-
Thermodynamique appliquée – Bilans entropiques et exergétiques.
-
Propriétés thermodynamiques des fluides.
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