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Auteur(s)
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur ès sciences - Professeur émérite des universités. Ancien directeur du département de Génie énergétique de l'INSA de Lyon
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les compressions et détentes des fluides compressibles, gaz ou vapeurs, sont des opérations fondamentales dans le fonctionnement des machines thermiques telles que les machines frigorifiques ou les moteurs, que ceux-ci soient à combustion interne alternatifs (moteurs à essence et moteurs Diesel) ou à flux continu (turbines à gaz) ou à apport énergétique externe comme les turbines à vapeur. Dans les moteurs à combustion interne les deux opérations se présentent successivement, alors que dans le cas des turbines à vapeur on ne trouvera que la détente et dans les machines frigorifiques courantes que la compression.
Ces opérations correspondent à des transformations ouvertes d’un système, au sens thermodynamique du terme, mettant en jeu toujours de l’énergie mécanique et, selon les cas, de l’énergie thermique. En effet, la recherche de la production maximale de travail au cours d’une détente de gaz ou celle de la consommation minimale d’énergie mécanique pour une compression nécessite, non seulement de chercher à se rapprocher au maximum d’un processus réversible (deuxième principe de la thermodynamique), mais également de mettre en jeu des échanges de chaleur particuliers (premier principe de la thermodynamique). Le cas le plus simple de transformation étant de type adiabatique, il convient de connaître quelle pénalité ce type d’évolution entraîne sur les performances des machines.
Cet article de thermodynamique appliquée a pour but d’obtenir des réponses à l’ensemble de ces questions, par une bonne connaissance des phénomènes de base et par une étude comparative des différents types de transformations envisageables et réalisables. Le développement de ces analyses met en œuvre les principes fondamentaux de la thermodynamique et les divers bilans correspondants, dont les bilans d’énergie et d’exergie. Il débouche sur la définition de divers rendements aux significations particulières et au chiffrage de l’intérêt d’un type de compression ou de détente par rapport à un autre.
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4. Apport thermique en cours de détente
Comme le travail technique nécessaire à une compression est minimisé lorsque la compression est refroidie, le travail technique « récupéré » sur l’arbre d’une machine de détente est plus grand (en module) lorsqu’il y a apport de chaleur en cours de détente [équations [25]] afin d’approcher une détente isothermique. Mais, l’apport de chaleur a un coût, lié directement à la quantité d’énergie apportée, que n’a pas le refroidissement. Ainsi, on n’envisage pas forcément, dans le cas des détentes d’opérer de manière isothermique, mais plus généralement de manière adiabatique. Cependant, pour certaines applications, cette détente isothermique ou, pour le moins, cette détente réchauffée est envisagée. Ce sont des applications pour lesquelles de la chaleur est mise en jeu par ailleurs dans le système global. Le cas typique est celui des turbines à gaz terrestres. Dans ces installations motrices (cf. article [BM 4 560] Turbines à fluide compressible. Conception et fonction-nement ), des gaz chauds, préalablement comprimés, doivent être admis dans une turbine de détente. On peut alors envisager, afin d’obtenir un travail technique de détente supérieur, de réchauffer le gaz en cours de détente. Compte tenu du type de machine utilisé, turbines axiales en général, le réchauffage continu (à l’opposé de la réfrigération continue) n’est pas envisageable. On procède alors au réchauffage fractionné, les détentes intermédiaires étant toutes adiabatiques (figure 26).
On peut alors, comme dans le cas des compressions avec réfrigération fractionnée, rechercher s’il existe un optimum à respecter pour la répartition des pressions...
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