Thermo Industrielle

8/22/2019 Thermo Industrielle

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1

Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 1

ThermodynamiqueIndustrielle


Rappels (systme ferm)


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2


Nature des systmes

thermodynamiques Systme ferm: nchange que de lnergie

avec le milieu extrieur (ME)

Systme isol: nchange ni nergie nimatire avec le ME

Systme ouvert: change de la matire etde lnergie avec le ME


Formes diffrentielles du travailet de la chaleur

Pour un systme ferm, le travail scrit:

pdvw =

,,,,, hclc

o

dpdvQ

hdpdTcQldVdTcQ

pv

p

v

+=

+=

+=

La chaleur scrit

Coeffici

entscalo

rimtriqu

es


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3


Remarque Pour un gaz parfait:

pl

vh

=

=


Lnergie interne, lenthalpie et leschaleurs massiques des gaz

parfaits Lnergie interne dun gaz parfait ne dpend pas

de la pression, mais uniquement de latemprature : u=f(T)

du=cvdT

Lenthalpie dun gaz parfait ne dpend pas de lapression, mais uniquement de la tempratureh=u+pv=u+RT=f(T)

dh=cpdT

cp=cv+R,


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4


nergie interne et lenthalpie dun GP

)(1

1)(

1

1

112212 VpVpk

TTk

Ru

dTk

RdTcdu v

=

=

==

Si on pose

)(1

)(1

1

112212 VpVpk

kTT

k

kRh

dTk

kRdTcdh p

=

=

==

nergieinterne

Enthalpie


Lentropie des gaz parfaits

Lentropie

T

Qds

=


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5


Lentropie des gaz parfaits


Transformation isentropique

Si

le systme est un GP

La transformation est rversible

La transformation est adiabatique

Alors:

Et lnergie interne te le travail scrivent:

ctePV =

( )1122211

1VPVPWU

==


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6


La transformation polytropique

rversible dun gaz parfait

teConspvn tan=

Transformation polytropique cest unetransformation:

rversible dun gaz parfait

qui vrifie la relation:


La transformation polytropiquerversible dun gaz parfait

Lnergie interne:

Do la chaleur est

Le travail scrit:


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7


Machines thermiques

On distingue

Les machines thermodynamiques quireoivent de la chaleur et fournissent untravail au ME: moteur

Les machines dynamo-thermique quireoivent du travail et fournissent de lachaleur: rcepteur


Fin des rappels


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Systmes ouverts


Exemple de systme ouvert


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9


Remarques

La frontire du systmeest une surface ferme.

Certaines parties de lafrontire peuvent tremobiles.

Certaines parties de la

frontire peuvent tre lesige dchange de

matire, Travail

Chaleur

avec le milieu extrieur.


Introduction

Dans ce cours, on analysera le fonctionnementglobal:

dappareils ou dinstallations largementrpandus dans la vie courante et

industrielle,

dont la caractristique commune est dtre lesige dchanges nergtiques, et quipeuvent donc tre qualifis de dispositifs deconversion denergie.


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Introduction

Exemples dinstallations les centrales thermiques de production

dlectricit;

les turbopropulseurs et lesturboracteurs;

Turbine gaz;

les machines frigorifiques

compression de vapeur; les moteurs combustion interne


Description de quelques exemplesde dispositifs thermodynamiques


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Centrale thermique

vapeur


La centrale thermique classique

Fluide utilis: eau


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Chaudire tubes deau

l'eau circule travers unrseau de tubes, entredeux ballons placs l'unau-dessus de l'autre.

La flamme se dveloppedans un foyer tapiss detubes qui absorbent lerayonnement.

Un second faisceau detubes reoit sa chaleurdes fumes par

convection. L'eau monte dans les

tubes soumis aurayonnement, et descendpar le faisceau deconvection.


Chaudire tubes deau

au del duneproduction de vapeurde 30 t/h 400 t/h :chaudire tubes deau


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Caractristiques dune chaudire tube

deau installe dans une centrale thermique Puissance : 150 MW /par tranche

Dbit de vapeur: 450 t/h

Dbit de fioul consomm: 32 t/h

Pression la sortie des surchauffeurs: 150 bar

Pression la turbine: 137 bars soit une perte decharge de 13 bars dans les conduites de vapeurentre les surchauffeurs et la turbine

Temprature la sortie du dernier surchauffeur:542C

Temprature la sortie du resurchauffeur: 542 C

3 surchauffeurs

1 resurchauffeurs


Turboracteur

la puissance fournie par la turbine soit juste suffisantela puissance fournie par la turbine soit juste suffisante entraentraner lener le

compresseur.compresseur.

Les gazLes gaz la sortie de la turbine sont alors dla sortie de la turbine sont alors dtendus dans une tuytendus dans une tuyrere

pour tre accpour tre accllrrs et ainsi produire une pousss et ainsi produire une pousse.e.

3-4 dtente dans la turbine

4-5 dtente dans la tuyre Fluide utilis: Gazde combustion


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Turbine gaz

Remarques:Remarques: Le travail nLe travail ncessairecessaire llentraentranement du compresseur peutnement du compresseur peutatteindreatteindre 50% du travail produit au niveau de la turbine50% du travail produit au niveau de la turbine

La turbineLa turbine gaz (TAG) la plus puissante et la plus performante au monde :gaz (TAG) la plus puissante et la plus performante au monde : 340340MWMW

Fluide utilis: Gazde combustion


machine frigorifique compression de vapeur

Fluide utilis: fluide frigorigne


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Conservation de la masse pour

les systmes ouverts La masse dun systme ferm (qui

nchange pas de matire avec le milieuextrieur) est constante.

Et pour un systme ouvert?


Conservation de la masse pourles systmes ouverts

sm.

Cette quation est communment appele quation decontinuit

em. Dbit massique entrant au systme

Dbit massique sortant du systme


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Conservation de la masse pourles systmes ouverts

Dans le cas particulier dun systmeen rgime permanent, cettequation se rduit :

qui exprimequi exprime llgalitgalit desdesddbits entrants et sortantsbits entrants et sortants


xemp e app ca on: o ec eur-distributeur deau

Soit le collecteur-distributeurdeau ci-contre. Leau entredans le distributeur aux points 1et 4, en ressort au point 3,tandis que les conditions aupoint 2 restent dfinir

Hypothses: Lcoulement est unidirectionnel

dans les sections 1, 2, 3 et 4 Le rgime est permanent Leau est un fluide incompressible

Sections perpendiculaires auxconduites (en m2): S1=0,018;S2=0,046; S3=S4=0,037

Vitesses (m/s): V1=0,3;V3=1,5; V4=7m/s

Question: Dterminer le sensde lcoulement et la vitesse aupoint 2

y

x


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Rponse Le bilan spatial de masse est: .

4

.

.

32

.

1 MMMMdt

dM++=

==

=

SVqMmassiquedbit

SVqvolumiquedbit

v

v

.

:

:

Le bilan spatial devient:

04433

.

211 =++ SVSVMSV

avec

02089,0)( 441133

.

2


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Cas de systme ferm

La forme diffrentielle du premier principe est:

Q

W

E

E

U

pot

cin

: Lnergie interne du systme

: Lnergie cintique du systme

: Lnergie potentielle du systme

: Le travail chang entre le systme et le ME

: Quantit de chaleur change entre le systme et le ME


Cas de systme ferm En divisant la forme diffrentielle du

premier principe par lintervalle de tempsinfinitsimal dt entre les deux tatssuccessifs, on obtient une quation pour letaux de variation de lnergie du systme:

o Q et W sont respectivement le taux de transfert dechaleur et la puissance fournis au systmes.


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Cas de systme ferm

Si on nglige les variations de lnergiecintique et lnergie potentielle, le premierprincipe pour un systme ferm devient:

.. QWdtdU

ou

QWdU

+=

+=


Le premier principe de la thermodynamiquepour les systmes ouverts

La forme du premier principe applicable auxsystmes ouverts est:

g

z

c

p

Pression

Densit

Vitesse

Coordonn dans la direction verticale

Acclration de la pesanteur


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Le premier principe de la thermodynamique

pour les systmes ouverts

En utilisant lenthalpie massique:

puh +=

La forme du premier principe applicable auxLa forme du premier principe applicable aux

systsystmes ouverts devient:mes ouverts devient:


Le premier principe de lathermodynamique pour les

systmes ouverts en rgimepermanent


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Les systmes ouverts en rgime permanent

Ce cas de systmes ouverts en rgime permanentconstitue un modle adquat pour dcrire lefonctionnement de bon nombre de dispositifscomme:

les compresseurs;

Turbines;

Vannes; Tuyres;

changeurs de chaleur;


Les systmes ouverts en rgime permanent Ces systmes se caractrisent par les proprits suivantes :

la frontire du systme est immobile ;

Pas de dpendance du temps:

les proprits (vitesse, variables thermodynamiques) enchaque point du systme sont indpendantes du temps ;

les dbits de masse chaque section dentre et de sortie,

et les proprits sur chacune de ces sections sontindpendantes du temps ;

le taux de transfert de chaleur et la puissance reues parle systme sont indpendants du temps.

Dans ces conditions, les quations de conservation scrivent:


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Les systmes ouverts en rgime

permanent Dans le cas particulier dune seule entre et

dune seule sortie, ces expressions se simplifienten:

En divisant cette dernire expression par le dbit m, on obtient:

o q et w sont la chaleur et le travail reus par unit de masse



Si en plus, on pourrait ngliger: lnergie cintique

et lnergie potentielle,

on obtient:

wqhh es +=


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Conclusion: premier principe Systme ouvert

Rgime permanent

Le systme a une seule entre et une seule sortie

On nglige les nergie cintiques et potentielle

wqh

ouwqhh es

+=

+=

Dans ces conditions lepremier principe scrit


La dtente travers une vanne et lecoefficient de Joule-Thomson

Considrons la dtente travers une vanne, telleque celle employe dans la machine frigorifique compression de vapeur. Une telle vanne

sapparente un diaphragme tel que reprsent ci-dessous:


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La dtente travers une vanne et le

coefficient de Joule-Thomson

Qui devient si le systme est suppos:

ne reoit ni travail ni chaleur (isol)

Ngligeant galement lnergie potentielle, on a alors

Rappelons le premier principe pour un systme ouvert en rgimepermanent:

22

22

ss

ee

ch

ch +=+


La dtente travers une vanne et lecoefficient de Joule-Thomson

Dans ce genre de dtente, on nglige aussilnergie cintique:

0=

=

h

ou

hhse

C/C

La dtente de Joule Thomson est une dtenteisenthalpique


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La dtente travers une vanne et le

coefficient de Joule-Thomson

La variation de temprature travers la vanne est alorscaractrise par le coefficient deJoule-Thomson J dfini par:

h

JP

T

=


Dtendeurs frigorifiques

Grande puissancePetite puissance


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Le second principe de lathermodynamique


Cas dun systme ferm

le second principe appliqu aux systmes fermsscrit:

Avec la production dentropie dues aux irrversibilits

idST

QdS +

=

T

WdSi

*

=


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27


Le second principe de la thermodynamique

pour les systmes ouverts

Pour un systme ouvert lexpression pour letaux de variation de lentropie est:

..

..)(ieess

O s

T

Qsmsm

dt

smd+=+



Pour les systmes ouverts en rgime permanents,lexpression prcdente se simplifie en:

et, dans le cas particulier dune seule entre et dune seulesortie:

Pour une transformation adiabatique, on

aura donc:

...

mmm ss ==


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Expression du travail: Les

transformations rversibles dessystmes ouverts en rgime permanent Dans le cas dune seule section dentre et

de sortie, le premier principe scrit:

Et le second principe scrit:


Expression du travail: Les transformationsrversibles des systmes ouverts en

rgime permanent

Considrons prsent deux transformationsrversibles :Transformation adiabatique Dans ce cas, le second

principe se rduit :

Par consquent, vu la relation de Gibbss

Do

es ss =

vdpTdsdh +=

=s

ees vdphh

=0 : adiabatique


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transformations rversibles dessystmes ouverts en rgime permanent

On obtient lexpression du travail pour unsystme ouvert:

En remplaant dans lexpression du premier principe:

==

s

ees vdphh

q 0

les termes ci-dessous par leurs expressions


Exercice

Retrouver lexpression du travail enconsidrant pour le mme systme unetransformation rversible isotherme


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30



transformations rversibles dessystmes ouverts en rgime permanentTransformation isotherme

( ) +=+=s

e

s

eeses vdpqvdpssThh

de sorte que le second principe devient

Par ailleurs, par intgration de la mme

relation de Gibbs:

T

qss es =

vdpTdsdh +=


Expression du travail: Lestransformations rversibles des

systmes ouverts en rgime permanentTransformation isotherme

En remplaant dans lexpression du premier principe:

On retrouve alors lamme expressionpour le travail

+=s

ees vdpqhh

(1)

(2)

(1) et (2)


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Cas particulier o w=0

Un cas particulier dune transformation sanschange de travail (comme lcoulement dans unetuyre), lexpression devient:

Equation trs importante en mcanique des fluides, connuesous le nom dquation de Bernoulli.

Dans le cas particulier des fluides masse volumique constante, elle sesimplifie en:


Remarque

Dans de nombreux cas, les variations dDans de nombreux cas, les variations dnergienergiecincintique et potentielle sont ntique et potentielle sont ngligeables, degligeables, desorte que le travail par unitsorte que le travail par unit de masse estde masse estsimplement:simplement:

=s

evdpw


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Conclusion


Schma de fonctionnement d'une centrale thermique

Remarques Dans le cas dune centralethermique vapeur, la pressionreste constante dans toutes lescomposantes o aucun travailnest chang et donclaugmentation de pression dansla pompe est gale la chute depression dans la turbine.

Par ailleurs, puisque la pompecomprime du liquide dont levolume massique est trs petitpar rapport celui de la vapeur

dtendue dans la turbine, lapuissance consomme par lapompe est nettement infrieure celle fournie par la turbine, ladiffrence tant la puissancenette fournie par la centrale.

( ) ( )

turbinepompe

turbinepompe

wwmais

pp


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Notion de rendement: systmes ouverts

en rgime permanent. Systmes avec change de travail Pour les

systmes avec change de travail, lerendement est dfini de manire gnrale parles expressions:

idalw le travail reu (fourni) par une machine idale.

w

widalrec =

idal

motw

w

=

Machine rceptrice (pompe, ventilateur, compresseur)

Machine motrice (turbine)

w le travail rel reu (fourni) par la machine


Notion de rendement: Application

Le travail chang lors dune transformationrversible dun systme ouvert:

alors que le travail chang lors dune transformation adiabatiquerelle (irrversible) vaut lui, par application du premier principe:


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Notion de rendement Par consquent, lexpression gnrale du

rendement est donc:

Donc pour calculer le rendement, on devrait calculer:

La variation denthalpie

Lintgrale

s

e

es

vdp

hh

( )

( )eses

es

eses

s

e

rec

zzgcc

hh

zzgcc

vdp

+

+

+

+

=

2

222

22

( )

( )eses

s

e

eses

es

mot

zzgcc

vdp

zzgcc

hh

++

++

=

2

_2

_

22

22

Machine rceptrice

Machine motrice


teConspvn tan=

Application: rendement polytropiquedun gaz parfait

Transformation polytropique cest une transformation:

gaz parfait

rversible

qui vrifie la relation


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tiontransformacettepour

vdpethhalorscalculonss

ees

Application: rendement polytropique

dun gaz parfait

on obtient, en omettant les termes dnergiepotentielle, toujours ngligeables pour lesfluides compressibles, les expressionssuivantes pour le rendement polytropique:


Rendement polytropique qui deviennent, lorsque les variations dnergie

cintique sont aussi ngligeables,


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Rendement isentropique(vapeur)

Lorsque lon na pas affaire un gaz

parfait, comme pour les turbines vapeur, cette notion de rendementpolytropique nest pas utilisable,

ce qui conduit introduire une autredfinition, savoir celle de rendementisentropique not s (turbine vapeur).


xemp e e ren ementisentropique: turbine (moteur)


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Exemple de rendement isentropique :

compresseur (rcepteur)


Exemple de rendement isentropique :pompe (rcepteur)

p


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Diagrammesthermodynamiques


Diagramme dquilibre (T,P) La courbe de

changement dtat L-Vest dite courbe devaporisation.

Les points sur cettecourbe sont des pointsreprsentatifs dunsystme 2 phases.

Pour caractriser un tatde cette quilibre il suffitde connatre soit lapression soit latemprature.

Courbe devaporisation


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Evolution de la temprature dun corps

pur

Liquide satur

vapeur sature

Vapeursurchauffe


Diagramme P-V Clapeyron Comme le montre la

figure, il est difficile decomprimer un liquide(courbe verticale)

Par contre un gaz est

relativementcompressible

On remarque quuneisotherme est aussiune isobare pour lemlange biphas L-V


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Point critique

Le point critique estcaractris par unetemprature et unepression critiques au-del desquellesliquide et vapeurdeviennent

indiscernables

Point critique en C et en bar=======================

R11 ----> +197,9 ----> 45,2bR12 ----> +110,5 ----> 41,4bR22 ----> +96,0 ----> 51,1bR134a ----> +101.1 ----> 40.6bR290 ----> +94,4 ----> 47,2bR407a ----> +82,3 ----> 45.3bR407b ----> +75,3 ----> 41.3bR407c ----> +86,7 ----> 46.1bR507 ----> +70,9 ----> 37,9b

R508a ----> +23 ----> 40,6bR600 ----> +153,3 ----> 39,2bR600a ----> +133,65 ----> 38,3bR717 ----> +133,1 ----> 117,9bR718 ----> +374.1 ----> 220.8b

T Pfluide


Diagramme P-H

Diagramme thermodynamique: enthalpie-pression appel

diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes


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Diagramme T-S Cest un diagramme quon utilise pour des bilans

thermiques dans:

Turbine gaz (cycle Bryton)

Centrale vapeur (cycle de Rankine)


Diagramme T-S

Diagramme entropique

Diagramme de Stodola


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Exemple de diagramme T-S (eau)


Exemple de diagramme T-S (azote)


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Diagramme h-sou diagramme de Mollier


Exemple de diagramme h-s: Mollier

hh

ss


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T=180C663

728

SS

HH


Exemples dutilisation du diagramme deMollier

Dterminer lnergie ncessairepour surchauffer 1 Kg dune vapeurjusqu la temprature: t=300Cpour une pression P=10 bars(1bar=1,033Kgf/cm2)

En dduire la puissance ncessaire la surchauffe si le dbit de vapeurest de 50t/h

Rponse: On dtermine dabord la

temprature de saturationTs lorsque P=10 bars partir du diagramme deMOLLIER.

Daprs ce diagramme:lorsque P=10 bars

Ts=180C etHsat=663Kcal/kg

Daprs le diagramme deMollier, lorsque t=300 etP=10 bars Hsur=728Kcal/KgHsur-Hsat=728-663

=65 Kcal/(kg de vapeursche)

Puissance desurchauffe:

P=65 kcal/kg*50 000kg/h Soit P=3,778MW

wqh +=

hmP =.


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Mlange de liquide et de vapeur

:notion de titre Si on dsigne parhg lenthalpie massique de la phase vapeur

hl lenthalpie massique de la phase liquide

Alors lenthalpie massique du mlange h?

m

mxavechxxhh vlg =+= )1(


Proprits dun point de mlangede liquide et de vapeur

En effet,

)()1(

)()1(:int'

:

)()1(

,

'

lgllg

lgllg

lgllg

g

ll

g

g

llgglg

vvxvvouvxvxviquevolumemasslepour

uuxuuouuxxuuerneenergielpour

idem

hhxhhouhxxhh

obtientontitreleappellm

mxposanten

hm

mh

m

mhod

hmhmmhHHH

+=+=

+=+=

+=+=

=

+=

+=+=


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Mlange de liquide et de vapeur

Le titre devient:

lg

l

lg

l

lg

l

uu

uux

ou

hh

hhx

ou

vv

vvx

=

=

=


Idem pourlentropie


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Reprsentation destransformations

thermodynamique dans les

diagrammes


Chauffage isochore

s

h


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Condensation isobare

s

h


Dtente isotherme

s

h

P1

P2


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Dtente isenthalpique

s

h


Dtente isentropique

s

h


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Tables thermodynamiques

En plus des diagrammes, les variablesdtat sont rpertories dans des tablesappeles tables thermodynamiques(abaques)

Pour les fluides techniques tels que:

vapeur deau;

fluide frigorigne

ces tables sont disponibles dans la littrature



Eau sature


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Vapeur deau surchauffe


Exercice dapplication: utilisation des tablesExercice dapplication

Sur une installation frigorifique utilisant le R22 comme FF, on relve les pressions de 3,9759

bar et 17,548 bar partir des manomtres

1- Dterminer les tempratures T0 (dvaporation) et TK (condensation) des changeurs2- Complter le tableau suivant :

Point 1

V/Sche

2

V/Sche

2

V/sat

3

L (sat)

6

V sat

Pression

relative

3,9759 17,548 17,548 17,548 3,9759

T(C) 14 85

h(Kj/Kg)

V(dm3)

S(Kj/Kg K)

11 22

22

33

4455

66

77

11 22

22

33

4455

66

77

*Vap_Sat_1A8bar

*Vap_Sat_9A36bar

Vap_Surch_58bar

*Vap_Surch_812bar*VapSurch_18A25bar

* VapSurch_2634bar


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Diagramme de lair humide


Proprit de lair humide Dfinitions

lair humide: cest de lair qui contient de lavapeur deau

Lair sec: cest de lair qui ne contient pas dela vapeur deau

Lair et la vapeur deau peuvent treconsidr comme des gaz parfaits


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Air satur

Le terme dair satur est utilis pour dfinir laquantit maximale de vapeur deau que lairambiant peut contenir sans quil y a decondensation

Cest la limite suprieure pour la quantit devapeur deau que lair peut contenir une

temprature donne


Pression partielle et pression totale


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Humidit absolue

Vapeur dVapeur deaueau

Air secAir sec


Lhumidit relative

Pression dePression de

vapeurvapeur TT

Pression dePression de

vapeurvapeur

saturantesaturante TT

Masse dMasse deau que contient leau que contient lairair

QuantitQuantit ddeau maximale que leau maximale que lair pourraitair pourrait

contenir sans qucontenir sans quil y a de condensationil y a de condensation


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55


Relation entre humidit relativeet humidit absolue


Temprature de rose


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Diagramme psychromtriqueHumiditHumidit absolueabsolue

TempTemprature srature scheche


Lecture du diagramme dair humide

T. rosT. ros

T sT scheche

HAHA

HRHR

T. humideT. humideenthalpieenthalpie


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Diagramme psychromtrique




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Utilisation du digramme psychromtrique Si par exemple de l'air avec

des conditions de dpart:

t1 = 20 C et x1 = 6 g/kg

On cherche prparer un airde caractristique:

sur t2 = 10 C et x2 = 4,7g/kg

doit tre refroidi etdshumidifi

alors on peut subdiviser lapuissance ncessaire en une:

puissance sensible(refroidissement de 20 C 10 C)

et en une puissance latente(dshumidification de 6g/kg 4,7 g/kg).


utilisation

Si on prend un air deSi on prend un air decaractcaractristiques:ristiques:

T=17T=17C et HR=50%C et HR=50%

DDterminer:terminer:h=?h=?T. hum=?T. hum=?T. rosT. rose=?e=?Pression partiellePression partiellePression de saturationPression de saturationHumiditHumidit absolueabsolueHumiditHumidit absolueabsolue la saturationla saturation


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exemple: T=17exemple: T=17C et HR=50%C et HR=50%

h=32 KJ/Kgh=32 KJ/Kg

T. hum=10T. hum=10CC

T. rosT. rose=5e=5CC

Pression partielle: 9mbarPression partielle: 9mbar

Pression de saturation: 19mbarPression de saturation: 19mbar

HumiditHumidit absolue: 6 g/kgabsolue: 6 g/kg

HumiditHumidit absolueabsolue la saturation: 12g/Kgla saturation: 12g/Kg


Utilisation du digrammepsychromtrique

Exercice Dterminer lenthalpie de lair humide extrieur

dont la temprature est de 16C et dhumidit

70%

Dterminer lenthalpie de lair humide intrieur une chambre froide o rgne une

temprature de 0C et une humidit de 80%


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60



exemple: T=17exemple: T=17C et HR=50%C et HR=50%


Daprs le diagramme

hext= 36,5 KJ/Kg lenthalpie de lairdue T=16C et HR=70%

lenthalpie de lair ambiant T=0Cet HR=80% est: hint=8 Kj/Kg


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61


Domaines dapplication du

diagramme de lair humide Le diagramme psychromtrique trouve

beaucoup dapplication

Exemple:

Tour de refroidissement:

Tour de refroidissement ouverte

Tour de refroidissement ferme


Principe de fonctionnement dunetour de refroidissement ouverte

Dans une tour circuit ouvert, l'eauprovenant de la source de chaleur duprocd est distribue directement surla surface de ruissellement et entre encontact avec l'air souffl au travers dela tour, assurant ainsi lerefroidissement par vaporation d'unepetite partie de cette eau, grce l'change direct obtenu entre l'eau etl'air.

En plus de lnergie changedirectement entre leau et lair souffl travers la tour, la petite partie deauvapore cre du froid danslcoulement de leau

L'eau provenant du condenseur estdistribue par l'intermdiaire d'unerampe de pulvrisation sur unesurface de ruissellement ( packing )qui ralentit le dplacement de l'eau cequi permet un bon change de chaleuravec l'air qui circule contre-courant.L'eau refroidie en rcupre etretourne dans le circuit derefroidissement du condenseur.



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62




Couplage dune tour de refroidissementouverte un condenseur climatisation

Sur une tour deSur une tour de

refroidissement, pour 100refroidissement, pour 100

kW de puissance frigorifique,kW de puissance frigorifique,

il s'il s'vapore environ 200lvapore environ 200l

d'eau par heure.d'eau par heure.


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63


Fin de la partie 1


Cycles moteurs


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Les cycles moteurs

Cycles moteurs:

vapeur

air


Cycles moteurs vapeur


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65


Centrale thermique vapeur


Introduction La centrale thermique vapeur opre selon le cycle

Rankine

Schma de fonctionnement d'une centrale thermique

Le fluide actif: eauLe fluide actif: eausubstancesubstance changement dechangement de

phasephase


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Le cycle de Rankine Il se compose de

12 : pompageadiabatique et rversibledans la pompe, partirdun tat de liquidesatur 1

23 : change dechaleur isobare dans lachaudire jusqu ltatde vapeur sature 3

34 : dtenteadiabatique et rversibledans la turbine

41 : change dechaleur isobare dans lecondenseur.

Cycle idal des centrales thermiques

vapeur dans le diagramme entropique T-S


Le rendement du cycle de Rankine Processus 1-2 : pompe: compression isentropique:

00 121212

12

=>=

=

qethhw

ss

00 232323

23

=>=

=

wethhQ

PP

Processus 2-3 : chauffement isobare


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67


Le rendement du cycle de Rankine Processus 3-4 : turbine: dtente isentropique:

00 343434

34

=


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68


Remarque

Linverse du travail 1/w est trscouramment utilis: cest laconsommation spcifique devapeur du cycle


Le cycle de Rankine

Une variante est lecycle de Hirndans lequel lavapeur est

surchauffe avantdtre dtendue.Cest cette variantequi est employedans les centraleslectriques.

Surchauffe 3-3


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69


Le cycle

resurchauffe Lefficacit du cycle ne

varie pratiquement pas,mais la teneur en eau lchappementdiminue.

4-5: la resurchauffe


Cycles moteurs gaz ( air)


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70


Introduction

Bon nombre de moteurs emploient un fluide actiftoujours ltat gazeux.

moteurs volumtriques allumage command(moteur essence);

moteurs volumtriques allumage spontan(moteurs Diesel) ;

turbines gaz de propulsion (turbopropulseurs,moteurs dhlicoptres) ;

Pas de changementde phase du fluidetechnique


Turbine gaz


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71


Turbine gaz La turbine gaz est

conu pour fonctionneren rgime permanent.

Dans sa version la plussimple, une turbine gaz comporte troiscomposantes:

Un compresseur

Une chambre decombustion

Un expanseur ou turbine

w


Le cycle de Joule (Brayton)

Le cycle de Joule secompose de:

1-2: compressionisentropique

2-3: combustionisobare

3-4 : dtenteisentropique

4-1: refroidissementisobare

le fluide actif restetoujours ltatgazeux. Cest le cycleidal de la turbine gaz.


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72


Le cycle de Joule (Brayton)

Tu

rbine

gaz

Fermeture fictive


Rendement du cycle de Joule

com

presseur

combustion

turb

ine

atmosphre


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73


Rendement du cycle


Rendement du cycle

Q

w=


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74


Le cycle de Joule rcupration

Lorsque la temprature de sortie turbine estsuprieure la temprature de sortie compresseur, opeut amliorer lefficacit du cycle de Joule en seservant des gaz dchappement pour rchauffer le gasortant du compresseur.

Le cycle de Joule rcupration

T4>T2


Le cycle dOtto ou de Beau deRochas

Le cycle dOtto estle cycle idalis desmoteursvolumtriques

allumagecommand (moteur essence)


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75


Le cycle de Diesel

Le cycle de Diesel est lecycle idalis desmoteurs volumtriques

allumage spontan(moteur Diesel).

Il diffre du cycle dOttopar le fait que leprocessus decombustion, nettementplus lent pour le

brouillard de gouttelettesde gazole que pour lemlange air/essence, estsuppos isobare.


Cycles rcepteurs


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76


Cycles frigorifiques


Principe de production du froidpar vaporisation dun fluide


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77


S. Chaude:condenseur

S. froide: vaporateurCompresseur: W

dtendeur

FF

En terme thermodynamique

11-- CompresseurCompresseur22-- CondenseurCondenseur

33-- DDtendeurtendeur

44-- EvaporateurEvaporateur


Fluides frigorignes (FF)

FFS. chaude S.froide

nergie

FF: transporte lFF: transporte lnergie dans le circuitnergie dans le circuit

frigorifique par ses changements dfrigorifique par ses changements dtattat

que sontque sont llvaporationvaporation etet lala

condensationcondensation..


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78


Le cycle de fonctionnement dune MF

Le cycle frigorifique dune MF est habituellement reprsentdans un diagramme thermodynamique: enthalpie-pressionappel diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier desfrigoristes


Suivant le schma de la MFle FF suit les volutions:

1-2: compression desvapeurs FF de BP HP

2-3: dsurchauffe de lavapeur HP

3-4 condensation du FF 4-5: sous

refroidissement 5-6: dtente du FF qui

devient liquide BP avec

peu de vapeur

6-7: vaporation du FFliquide qui devient vapeur

BP

7-1: surchauffe desvapeurs

condenseurvaporateur compresseur

dtendeur

1 23

4

56

7

Cycle pratique des frigoristes

1

23

4

5

6 7

P

h

Fin decompression

Cycle pratique suivi par le FFCycle pratique suivi par le FF


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79


Les rendements duncompresseur


Remarque

la temprature de refoulement

dun compresseur < latemprature de fin de

compression, car le fluide en

sortant de la chambre de

compression subit unrefroidissement, puisque le

compresseur est soumis uneconvection naturelle ou plus

souvent une convection force:

donc le point 2 devient au point 2

Lorsque la compression se fait

adiabatiquement, le point 2

devient au point 2s Cycle pratique des frigoristes

1

2

34

5

6 7

P

h

Fin decompression

2

Pt refoulement

2s


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80


Le rendement indiqu

isW

r

isi

W

W=

1

3 2is4

5 6

2 2

il est dfini par :

avec

La puissance fournie par le compresseur si la compression se faitde manire isentropique (compression parfaite)

rWLa puissance relle fournie par le compresseur suivant latransformation 1-2

1-2:Weff1-2is: Wis

1-2Wr


Le rendement mcanique

effW

eff

rm

W

W=

1

3 2is4

5 6

2 2Il est dfini par :

avecLa puissance fournie au compresseur la fin de lacompression

2: dsigne le point de fin de compression

2: dsigne le point de refoulement

T2


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81


Le rendement global ou effectif

mieff

is

effg W

W

===

1

3 2is4

5 6

2 2

Il est dfini par :

Ce rendement global permet de dterminerle travail absorb sur larbre ducompresseur

1-2:Weff1-2is: Wis

1-2Wr


Le rendement lectrique

( ) ( )

rcompresseuleparrellement

absorbeeffectiveoumcaniquepuissanceW

rcompresseuleparabsorbelectriquepuissanceW

WhhqhhqWW

W

W

eff

abs

emi

is

emi

sm

e

m

e

eff

abs

abs

eff

e

:

:

1212

=

=

==

=

est dfinit par :

1

3 2is4

5 6

2 2

1-2is: Wis

1-2Wr

1-2:Weff


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82


Le rendement volumtrique

La course entre 0 et 1: espacemort ou nuisible

La course 1 et 2: dtendre lesvapeurs depuis la pression derefoulement celledaspiration. Aucune molculede gaz n'a pu tre admisedans la chambre decompression.

Laspiration relle se faitentre les points 2 et 3: Vr

PMH

PMB

Vb Va

0BP

HP


Le rendement volumtrique

rV

th

rv

V

V=

thV

Il est dfinit par :

Le volume rel aspir par le compresseur

1-2:Weff

1

3 2is4

5 6

2 2

1-2is:Wis

1-2Wr

Le volume total du cylindre du compresseur

ncompressiodetauxP

P

aprendonsouventaaveca

BPabsolue

HPabsolue

v

==

===

05,007,004,01

Le rendement volumtrique est donn par la relationempirique:


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83


Tempratures de fin compression et de

refoulement partir des rendements

meff

rm

i

ss

r

isi

hhhh

hh

hh

W

W

hhhh

hh

hh

W

W

1'212

12

1'2

121'2

1'2

12

+=

==

+=

==

partir de ces deux dernire relation, on obtient

mi

s hhhh

1212

+=

h1 est dtermine partir de lapression et la temprature aupoint daspiration ducompresseur

h2s: est dtermine partir delentropie au point daspiration etde la pression au niveau ducondenseur


Dbit volumique et dbitmassique du FF dans le circuit

Le dbit massique qm duFF vhicul par le

compresseur dpend de:ses caractristiques defabrication dfinissant sacylindre Cyl exprimen cm3

sa vitesse de rotation N(tr/min)qui dfinit ledbit volumique balayqvth en m3/htype de FF en circulationrgime defonctionnement ducompresseur (BP, HP,tempraturedaspiration)

Compresseur: W

dtendeur

FFqmqm


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84



32

3 104

)( = ncd

cmCyl

Avec

d: alsage du piston (en mm)

c: la course du piston (en mm)

n: nombre de cylindres

ddCC



6

1

1

63

1060

)/(

3600)/(

1060)/(

=

=

=

V

NCylsKgq

V

qsKgq

NCylhmq

vm

vvthm

vth

Avec

V1: le volume massique spcifique du FF au point daspirationen m3/Kg) dtermin partir de la temprature et la pressionau point 1

qm : est le mme dans tout lecircuit

qv: varie dans le circuit

1

3 2is4

5 6

2 2

1-2is:Wis

1-2Wr


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85


Coefficient de performancedune machine frigorifique


Bilan de matire en rgimestationnaire: MF

mes

ou

es

qmmm

mm

===

=

...

..

0

Au niveau de chaqueAu niveau de chaque llment dement dela MF:la MF:


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86


Bilan nergtique dans une MF

( ) 0...

=++cdsecdcd

hhmwq

( )cdescd

hhmq =..

En rEn rgime stationnaire telle que la MF:gime stationnaire telle que la MF:

soit

Au niveau du condenseur

q : chaleur

Avec W: travail



Au niveau de lvaporateur

( )evesev

hhmq ==..

0


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87



( )cpes hhmw =..

Au niveau du compresseur le bilanAu niveau du compresseur le bilandevient:devient:


Coefficient de performance dune MF


1

23

4

5

6 7

P

8

On dsigne par :

Le point 6: lentre delvaporateur

Le point 8: la sortie delvaporateur

On dfinit la puissancefrigorifique par:

h

( )680 hhqm =


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88


Coefficient de performance dune MF

12

0

WCopf

=

On dfinit le coefficientde performance COPf

dune MF par le rapport:


1

23

4

5

6 7

P

8

h

( ) ( )

( )

( )

( )12

68

12

68

12

68

hh

hh

hhq

hhq

W

hhqCop

m

mmf

=

=

=


Rendement thermodynamique duneMF

Carnot

f

ynamiquether

Cop

=mod


1

23

4

5

6 7

P

8

On dfinit aussi le rendementthermodynamique dune MFpar le rapport:

h

Pour une machine de Carnot:Pour une machine de Carnot:

TFTF: temp: temprature de la source froiderature de la source froide

TCTC: temp: temprature de la sourcerature de la sourcechaudechaude

T0=TFT0=TF

TkTk=TC=TC

FC

FCarnot

TT

T

= efficacitefficacit de la machine de Carnot fonctionnantde la machine de Carnot fonctionnantentre les deux sources de tempentre les deux sources de temprature TC et TFrature TC et TF


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Coefficient de performancedune PAC

12WCop cc

=

On dfinit le coefficientde performance COPc

dune pompe chaleurpar le rapport:


1

23

4

5

6 7

P

8

h

25hh

c =

avec

La puissance calorifique vacue auniveau du condenseur

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