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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 1
ThermodynamiqueIndustrielle
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 2
Rappels (systme ferm)
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 3
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 4
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 5
Remarque Pour un gaz parfait:
pl
vh
=
=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 6
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 7
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 8
Lentropie des gaz parfaits
Lentropie
T
Qds
=
-
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 9
Lentropie des gaz parfaits
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 10
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 11
La transformation polytropique
rversible dun gaz parfait
teConspvn tan=
Transformation polytropique cest unetransformation:
rversible dun gaz parfait
qui vrifie la relation:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 12
La transformation polytropiquerversible dun gaz parfait
Lnergie interne:
Do la chaleur est
Le travail scrit:
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 13
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 14
Fin des rappels
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 15
Systmes ouverts
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 16
Exemple de systme ouvert
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 17
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.
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 18
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 19
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 20
Description de quelques exemplesde dispositifs thermodynamiques
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 21
Centrale thermique
vapeur
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 22
La centrale thermique classique
Fluide utilis: eau
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 23
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.
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 24
Chaudire tubes deau
au del duneproduction de vapeurde 30 t/h 400 t/h :chaudire tubes deau
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 25
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 26
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 27
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 28
machine frigorifique compression de vapeur
Fluide utilis: fluide frigorigne
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 29
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?
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 30
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 31
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 32
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 33
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 35
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 36
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 37
Cas de systme ferm
Si on nglige les variations de lnergiecintique et lnergie potentielle, le premierprincipe pour un systme ferm devient:
.. QWdtdU
ou
QWdU
+=
+=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 38
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 39
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:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 40
Le premier principe de lathermodynamique pour les
systmes ouverts en rgimepermanent
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 41
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;
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 42
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 43
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 44
Les systmes ouverts en rgime permanent
Si en plus, on pourrait ngliger: lnergie cintique
et lnergie potentielle,
on obtient:
wqhh es +=
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 45
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 46
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 47
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 +=+
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 48
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 49
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
=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 50
Dtendeurs frigorifiques
Grande puissancePetite puissance
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 51
Le second principe de lathermodynamique
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 52
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 53
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+=+
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 54
Les systmes ouverts en rgime permanent
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 55
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:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 56
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 57
Expression du travail: Les
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 58
Exercice
Retrouver lexpression du travail enconsidrant pour le mme systme unetransformation rversible isotherme
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 59
Expression du travail: Les
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 +=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 60
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 61
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:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 62
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 63
Conclusion
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 64
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 65
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 66
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 67
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 68
teConspvn tan=
Application: rendement polytropiquedun gaz parfait
Transformation polytropique cest une transformation:
gaz parfait
rversible
qui vrifie la relation
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 69
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:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 70
Rendement polytropique qui deviennent, lorsque les variations dnergie
cintique sont aussi ngligeables,
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 71
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).
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 72
xemp e e ren ementisentropique: turbine (moteur)
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 73
Exemple de rendement isentropique :
compresseur (rcepteur)
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 74
Exemple de rendement isentropique :pompe (rcepteur)
p
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 75
Diagrammesthermodynamiques
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 76
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 77
Evolution de la temprature dun corps
pur
Liquide satur
vapeur sature
Vapeursurchauffe
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 78
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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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 79
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 80
Diagramme P-H
Diagramme thermodynamique: enthalpie-pression appel
diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 81
Diagramme T-S Cest un diagramme quon utilise pour des bilans
thermiques dans:
Turbine gaz (cycle Bryton)
Centrale vapeur (cycle de Rankine)
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 82
Diagramme T-S
Diagramme entropique
Diagramme de Stodola
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 83
Exemple de diagramme T-S (eau)
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 84
Exemple de diagramme T-S (azote)
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 85
Diagramme h-sou diagramme de Mollier
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 86
Exemple de diagramme h-s: Mollier
hh
ss
-
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 87
T=180C663
728
SS
HH
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 88
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 =.
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
45/89
45
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 89
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(
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 90
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
+=+=
+=+=
+=+=
=
+=
+=+=
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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46
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 91
Mlange de liquide et de vapeur
Le titre devient:
lg
l
lg
l
lg
l
uu
uux
ou
hh
hhx
ou
vv
vvx
=
=
=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 92
Idem pourlentropie
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
47/89
47
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 93
Reprsentation destransformations
thermodynamique dans les
diagrammes
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 94
Chauffage isochore
s
h
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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48
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 95
Condensation isobare
s
h
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 96
Dtente isotherme
s
h
P1
P2
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
49/89
49
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 97
Dtente isenthalpique
s
h
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 98
Dtente isentropique
s
h
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
50/89
50
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 99
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 100
Tables thermodynamiques
Eau sature
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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51
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 101
Tables thermodynamiques
Vapeur deau surchauffe
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 102
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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52
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 103
Diagramme de lair humide
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 104
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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53
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 105
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 106
Pression partielle et pression totale
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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54
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 107
Humidit absolue
Vapeur dVapeur deaueau
Air secAir sec
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 108
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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55
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 109
Relation entre humidit relativeet humidit absolue
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 110
Temprature de rose
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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56
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 111
Diagramme psychromtriqueHumiditHumidit absolueabsolue
TempTemprature srature scheche
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 112
Lecture du diagramme dair humide
T. rosT. ros
T sT scheche
HAHA
HRHR
T. humideT. humideenthalpieenthalpie
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 113
Diagramme psychromtrique
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 114
Diagramme psychromtrique
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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58
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 115
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).
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 116
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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59
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 117
Diagramme psychromtrique
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 118
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%
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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60
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 119
Diagramme psychromtrique
exemple: T=17exemple: T=17C et HR=50%C et HR=50%
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 120
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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61
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 121
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 122
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.
Tour de refroidissement ouverte
-
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62
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 123
Tour de refroidissement ouverte
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 124
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.
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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63
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 125
Fin de la partie 1
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 126
Cycles moteurs
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
64/89
64
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 127
Les cycles moteurs
Cycles moteurs:
vapeur
air
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 128
Cycles moteurs vapeur
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
65/89
65
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 129
Centrale thermique vapeur
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 130
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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66
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 131
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 132
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 133
Le rendement du cycle de Rankine Processus 3-4 : turbine: dtente isentropique:
00 343434
34
=
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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68
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 135
Remarque
Linverse du travail 1/w est trscouramment utilis: cest laconsommation spcifique devapeur du cycle
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 136
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 137
Le cycle
resurchauffe Lefficacit du cycle ne
varie pratiquement pas,mais la teneur en eau lchappementdiminue.
4-5: la resurchauffe
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 138
Cycles moteurs gaz ( air)
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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70
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 139
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 140
Turbine gaz
-
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71
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 141
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 142
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 143
Le cycle de Joule (Brayton)
Tu
rbine
gaz
Fermeture fictive
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 144
Rendement du cycle de Joule
com
presseur
combustion
turb
ine
atmosphre
-
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73
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 145
Rendement du cycle
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 146
Rendement du cycle
Q
w=
-
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74
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 147
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 148
Le cycle dOtto ou de Beau deRochas
Le cycle dOtto estle cycle idalis desmoteursvolumtriques
allumagecommand (moteur essence)
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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75
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 149
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.
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 150
Cycles rcepteurs
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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76
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 151
Cycles frigorifiques
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 152
Principe de production du froidpar vaporisation dun fluide
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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77
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 153
S. Chaude:condenseur
S. froide: vaporateurCompresseur: W
dtendeur
FF
En terme thermodynamique
11-- CompresseurCompresseur22-- CondenseurCondenseur
33-- DDtendeurtendeur
44-- EvaporateurEvaporateur
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 154
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 155
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 156
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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79
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 157
Les rendements duncompresseur
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 158
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 159
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 160
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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81
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 161
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 162
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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82
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 163
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 164
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:
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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83
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 165
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 166
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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84
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 167
Dbit volumique et dbitmassique du FF dans le circuit
32
3 104
)( = ncd
cmCyl
Avec
d: alsage du piston (en mm)
c: la course du piston (en mm)
n: nombre de cylindres
ddCC
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 168
Dbit volumique et dbitmassique du FF dans le circuit
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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85
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 169
Coefficient de performancedune machine frigorifique
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 170
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:
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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86
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 171
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
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 172
Bilan nergtique dans une MF
Au niveau de lvaporateur
( )evesev
hhmq ==..
0
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 173
Bilan nergtique dans une MF
( )cpes hhmw =..
Au niveau du compresseur le bilanAu niveau du compresseur le bilandevient:devient:
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 174
Coefficient de performance dune MF
Cycle pratique des frigoristes
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 =
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 175
Coefficient de performance dune MF
12
0
WCopf
=
On dfinit le coefficientde performance COPf
dune MF par le rapport:
Cycle pratique des frigoristes
1
23
4
5
6 7
P
8
h
( ) ( )
( )
( )
( )12
68
12
68
12
68
hh
hh
hhq
hhq
W
hhqCop
m
mmf
=
=
=
Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 176
Rendement thermodynamique duneMF
Carnot
f
ynamiquether
Cop
=mod
Cycle pratique des frigoristes
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
-
8/22/2019 Thermo Industrielle
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Pr. E. AFFAD ENSEM_CASA 177
Coefficient de performancedune PAC
12WCop cc
=
On dfinit le coefficientde performance COPc
dune pompe chaleurpar le rapport:
Cycle pratique des frigoristes
1
23
4
5
6 7
P
8
h
25hh
c =
avec
La puissance calorifique vacue auniveau du condenseur