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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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5. Étude exergétique des compressions et détentes
L’exergie fait l’objet de l’article Analyse exergétique. Pour connaître le développement complet relatif à cette grandeur, le lecteur est invité à s’y reporter. Les transformations considérées dans le présent article étant obtenues au cours de transferts de fluides on se limitera ici à l’utilisation de ce qui a été appelé dans l’article sur l’exergie : exergie de transfert (voir aussi l’article [BE 8 008]).
5.1 Rappels
L’exergie Ex correspond à la potentialité industrielle maximale qu’à un système à fournir de l’énergie mécanique. Un tel travail ne peut être fourni par un système que grâce à des transformateurs parfaits : moteur électrique sans pertes pour l’énergie électrique, machine de Carnot pour l’énergie thermique par exemple. La source thermique de plus basse température considérée est le milieu ambiant : température Ta .
Selon cette définition, on rappelle que :
-
l’énergie mécanique (le travail technique en particulier) est de l’exergie pure ;
-
l’énergie thermique, à la température T, n’est que partiellement de l’exergie, puisque l’exergie correspond au travail obtenu dans un moteur de Carnot fonctionnant entre des sources à température T et Ta respectivement. Ainsi, l’exergie contenue dans une quantité de chaleur Q à la température T vaut :
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La variation d’exergie...
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