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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 comparée des divers types de compression
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1. Relations de base
Les diverses relations données ci-dessous, utilisables directement dans le cadre de la compression et de la détente des gaz ou des vapeurs, ne font pas l’objet des démonstrations classiques. En effet, elles ne sont que des rappels des relations fondamentales de la thermodynamique et de la mécanique des fluides dont on pourra trouver l’introduction dans des ouvrages classiques de thermodynamique et dans l’article Écoulement des fluides. Équations de bilans.
1.1 Relations thermodynamiques
Schématiquement, une machine de compression (compresseur) ou de détente (détendeur) transvase un gaz ou une vapeur (fluide compressible) d’un réservoir ou plus généralement d’une zone 1 où sa pression est P 1 , sa température T 1 , à une zone 2 où sa température est T 2 et sa pression P 2 (figure 1). Le premier principe appliqué à l’unité de masse de ce fluide en écoulement s’écrit :
avec :
- q12 :
- la quantité de chaleur échangée avec le milieu extérieur au fluide au cours de son passage de l’état 1 à l’état 2
- wt 12 :
- le travail de transvasement ou travail technique qui représente l’énergie mécanique échangée entre le fluide et les éléments mobiles de la machine au cours de son passage de l’état 1 à l’état 2
- h :
- l’enthalpie massique du fluide (= u + Pv avec : u l’énergie interne et v le volume massique)
- ec :
- l’énergie...
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