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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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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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Étude particulière des compressions réfrigérées
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2. Étude comparée des divers types de compression
La compression ou la détente d’un gaz peut se faire sans échange de chaleur ou au contraire avec refroidissement ou réchauffage, ce qui correspond à deux cas extrêmes théoriques : la compression ou la détente adiabatique réversible, donc isentropique, et la compression ou la détente isothermique réversible. Entre les deux, il existe une infinité de possibilités de transformations réversibles : les compressions ou les détentes polytropiques.
2.1 Travail technique mis en œuvre dans les divers types de compression et de détente réversibles
Dans l’étude qui suit, on négligera toujours les variations d’énergie cinétique et d’énergie potentielle. En effet :
-
d’une part, la masse volumique d’un gaz étant très faible, sa variation d’énergie potentielle est toujours négligeable dans les opérations de compression ou de détente ;
-
d’autre part, malgré la variation de masse volumique, on supposera que les vitesses d’entrée et de sortie du fluide dans la machine sont suffisamment proches pour pouvoir négliger la variation d’énergie cinétique.
Rappelons également que l’énergie mécanique échangée entre le gaz et la machine de compression ou de détente correspond à ce qui a été appelé travail technique.
HAUT DE PAGE2.1.1 Transformation isentropique
Pour un gaz parfait idéal (GPI) en évolution adiabatique réversible, donc isentropique, on sait que (cf. article Diagrammes thermodynamiques. Généralités ) :
( 16 )
avec γ = c p /c v , c v étant la capacité thermique massique sous volume constant du gaz. Dans la suite, γ sera dit : coefficient isentropique, bien que cette appellation ne soit rigoureuse que dans le cas spécifique du GPI.
Compte tenu de l’équation d’état, et...
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