Département: GPI
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Sommaire Partie 1 : Machines et installations industriels ..................... .......... ...................... .............. ... 5 ....................................... ........................... ........................... .......................... .......................... ............. 5 I. Généralités .......................... I.1
Première principe de la thermodynamique .......................................... ................................................................. .......................................... ................... 5
I.2
Deuxième principe de la thermodynamique ............................................ ................................................................... ....................................... ................ 5
I.3
Machines thermiques ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ............................... ........ 6
I.4
Propriétés thermodynamiques des fluides ............................................ ................................................................... .......................................... ................... 7
I.4.1
Gaz parfait.................................. parfait........................................................ ............................................ ............................................ ............................................ ............................ ...... 7
I.4.2 Des relations ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................ .......................................... .................... 7 a.
Loi de Joule .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ............................................. ............................ ..... 7
b.
Lois d’évolution .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................ .......................................... .................... 8
II. Outils de calcul : Diagrammes (T-S, h-S,Tables)
........................... ......................................... ................. ... 8
II.1
Diagramme T-S (Température, Entropie) ............................................ ................................................................... .......................................... ................... 8
II.2
Diagramme h-S (Voir annexe : A11) ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 9
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Partie 2: Production du froid.............................................................. 22 ................................................................................................22 Machine frigorifique (MF) à Compression Vs Pompe à chaleur (PAC) .............. 23
Généralités I. a)
Les Fluides Frigorigènes : FF ............................................................................................................23
b)
Machine frigorifique ........................................................................................................................... 24
c)
Machine frigorifique(MF) VS Pompe à chaleur (PAC) ..................................................................25
II. Diagramme P-h : exemple Ammoniac R717=NH3
........................................ 27
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Partie 1 Machines et installations Thermiques industrielles
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Partie 1 : Machines et installations industriels I.
Généralités I.1
Première principe de la thermodynamique W he
∑
Enthalpie à l’entrée
hs Enthalpie à la sortie
Q Ce principe exprime la conservation de l’énergie mécanique et de l’énergie calorifique . La variation de l'énergie d'un système qui subit une transformation peut s'exprimer selon la relation suivante :
W+Q=(hs-he)+∆Wz+ ∆Wc
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
> : transformation irréversible
deS =
diS : = : transformation réversible
Si : Transformation adiabatique : dQ = 0 Adiabatique + réversible
dS=0
S=Cte
Transformation isentropique
I.3
adiabatique + réversible
Machines thermiques
Source Chaude SC
Transformation isentropique
QF <0
Qc >0
Machine
Source Froide SF
Cours thermodynamique 1 année
I.4
Propriétés thermodynamiques des fluides
2014/2015
Cours thermodynamique 1 année b.
2014/2015
Lois d’évolution
Soit une transformation isentropique (dS=0)
P× =Cte
(1)
T× − =Cte
(2)
− × =Cte
(3) Exemple d’application :
T P Turbine (Détente) Chute de P et T
T P
(3)
−
1−
× =2
× 2
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015 Pression
T : de changement
v
de phase
L
L+v
Courbe de saturation : Frontière entre les phases
h’ : Enthalpie massique liquide saturé
h’’ : Enthalpie massique Vapeur
L : Liquide, V : Vapeur
II.2
Diagramme h-S (Voir annexe : A-11)
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Exemple :
h= ?
En Kcal/Kg ; 1 Kcal =4.18 Kj
S= ?
II.3
Tableau : Propriétés de la vapeur d’eau saturée Voir Annexe : A 1, A2……, A5
Exemple : T=100 °C & P=1 Bar (Voir A-2) T °C
P Kgf/cm
h’ Kj/Kg
h’’ Kj/Kg
Lv=h’’-h ‘ Kj/Kg
S’ Kj/Kg /K
S’’ Kj/Kg/K
Cours thermodynamique 1 année II.4
2014/2015
Tables : Propriétés de la vapeur surchauffée
J’ai pris l’exemple de P=6 Mpa=60Bars voir polycopie de professeur A8-8
Pour une vapeur surchauffée Pression en MPa =10 Bars P=6 Mpa=60 Bars ( 275.64 °C = T de changement de phase à P=60 Bars donc
si votre point est vapeur surchauffée
vous devez utiliser ce tableau il
suffit juste de savoir la P .Et si vous voulez la T de changement de phase vous l’avez déjà dans ce tableau (dans notre cas .)
Sat : Saturation (Ligne 1) (Sat dans ce cas =276.64 autrement point vapeur saturée et donc h c h ‘’ et S c S’’ uniquement pour ligne 1
Cours thermodynamique 1 année III.
2014/2015
Turbine à vapeur : TAV
Une turbine à vapeur est un dispositif rotatif
C h a u d i è r e
destiné à utiliser l'énergie cinétique de la vapeur d’eau pour faire tourner un arbre supportant
e n i
les aubes de la turbine.
b r u T
L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, et donc la production de l’électricité.
Pompe
Condenseur
III.1 Chaudière : Changement de phase Liquide (pt4)
Vapeur (pt1)
P4=P1, h1>h4, T1>T4
Cours thermodynamique 1 année c.
q3
2014/2015
Rendement mécanique d’une turbine (Avec soutirage entre l’entré et la sortie de turbine )
Ƞm=
=
×
&& ×−×−
3
Puissance (entre x et y) en KW= Débit (entre x et y) en Kg/s* ∆ en Kj/kg q4
P (3&4) : puissance consommée entre 3et 4 =débit entre 3et 4 (q3) * ∆
4 6
q6
P (4&6) : puissance consommée entre 3et 4 =débit entre 4et 6 (q6=q3-q4) * ∆
q3=q4+q6 Wm : Travail mécanique en Kj/Kg Cas d’un soutirage : les 3 points : entrée de la turbine(3), point de soutirage (4),sortie de la turbine (6) Sont linéaires (Voir diagramme h-S) .
Même chose sur le diagramme T-S.
Cours thermodynamique 1 année III.3 Condenseur :
La chaleur à évacuer pour assurer la condensation de l’eau dans le condenseur CE : QCE
2014/2015
Cours thermodynamique 1 année III.5 Resurchauffeur
2014/2015
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
IV. Compresseur VS Turbine
Compresseur 1) Augmentation de T, P, h 2) Schéma :
Turbine
1) Chute de T, P, h 2) Schéma :
On note par la suite pour h ou T sau point i et si la transformation est isentropique par hi.s ou Ti.s
3) Relation 1 : calcul de T2.s
Cours thermodynamique 1 année V.
2014/2015
Turbine à gaz (TAG)
Chambre de Combustion C.C
C
C o m p r e s s e u r
e n i b r u T
Turbine à gaz
T
Cours thermodynamique 1 année VI.
2014/2015
Air humide:
VI.1
Généralités
L'air ambiant d'un local, quel qu'il soit, contient une certaine quantité d'eau, présente sous forme de vapeur ; on a par conséquent affaire à un mélange binaire d'air sec et de vapeur d'eau.
Air humide = Air sec +Vapeur d’eau On peut d'ailleurs la caractériser de diverses manières: par la teneur en eau dans l'air (Humidité absolue) : W en Kg.eau / Kg air sec par le degré hygrométrique de l'air (Humidité relative) :
ᵩ
par la pression partielle de la vapeur contenu dans l'air d'un local : Pv
VI.2
Les températures caractéristiques de l’air humide : a. La température sèche de l'air
C’est la température indiqué par un thermomètre ordinaire à l’abri du rayonnement solaire (quelquefois appelée température du bulbe sec).
b. La température humide
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
c. La température de rosée On définit la température de rosée "Trosée", la température à partir de laquelle, la vapeur d'eau, contenue dans un air humide que l'on refroidit à pression constante, commence à se condenser (apparition de gouttelettes d'eau).
M
TM
Refroidissement à ression constante Point de rosée
Degré hygrométrique ou humidité relative en %
Partie 2 : Production et
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Production du froid
Généralités Le mot froid est utilisé souvent pour désigner une diminution de la température ou manque relatif de la chaleur. Naturellement la chaleur s’écoule entre deux corps dans les sens de leurs températures décroissantes, autrement d’un corps à un corps plus froid. Par conséquent, refroidir une substance consiste à e extraire de la chaleur à l’aide d’une autre substance qui se trouve à une température relativement plus basse. Actuellement, la production du froid est presque entièrement faite par des moyens artificiels défiant la nature en utilisant des Machines Frigorifiques (MF). Dans la plupart de ces machines ,un fluide est appelé Réfrigérant ou Fluide Frigorifique (FF) circule continuellement dans une boucle fermée (Cycle),afin que dans une étape devienne récepteur de chaleur et ou sa température est inférieure à celle du milieu extérieur et dans une autre étape devienne fournisseur de chaleur et où sa température est supérieure à celle du milieu extérieur.
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Dans l’étape d’évaporation : Le FF absorbe sa chaleur d’évaporation fournie par le milieu extérieur (Source froide). Dans l’étape de condensation : Le FF fournit sa chaleur latente de condensation au milieu extérieur (Source chaude) Dans ce procédé le FF passe par les étapes suivantes :
Une é vaporation à pression constante =Pév et température constante =Tév
Un transfert de l’évaporateur au condenseur par des organes de circulation pour fermer le cycle.
Une condensation à P=Pcond=Cte et T=Cte=Tcond
Une détente de la pression cte = Pcond à la P=Pév
Plusieurs procédés de réfrigération à vapeur peuvent être envisagés selon leur système de collecte du FF à l’état vapeur et sa circulation entre l’évaporateur et le condenseur. Les plus importants :
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Ces FF sont actuellement les plus utilisés dans les petites et moyennes installations car ils offrent un grand choix de températures d’évaporation à P=1 atm ce qui permet de choisir le type de fréon le mieux adapté à chaque emploi. Des Informations supplémentaires : Les fréons ont comme formule chimique : CmHnFxClyBrz tel que n+y+z=2m+2 Désignation des fréons : R (m-1)(n+1) x Bz par exemple C 2F3Cl3
R113
Exemple des fluides frigorigènes (P=1 atm) FF T de changement de phase NH3 -34 °C <0 R22 -40.09 °C <0 R134a -26.36 °C<0 L’avantage des fluides frigorigènes : la température de changement de phase est faible voire <0
b) Machine frigorifique Dans ce type de MF, les évolutions du fluide frigorigène FF s’effectuent avec un changement d’état (de phase).En effet ce F subit une évaporation en absorbant sa chaleur latente de vaporisation au cours de son passage dans l’évaporateur (noté source froide SF) et une condensation en cédant sa
Cours thermodynamique 1 année
2.Vap
2014/2015
1 .Vap
C o n d Q S e Compresseur F C n s e u r
r u e t a r F o S p a v E
Q F
Cours thermodynamique 1 année
MF : l’énergie utile est la chaleur absorbée au niveau de l’évaporateur QF
PAC : l’énergie utile est la chaleur cé dé e au niveau de condenseur Qc
Pompe
M achine frigorif ique
2014/2015
Energie utile : QF la chaleur absorbée au
chaleur
Energie utile :QC la chaleur cédée au niveau du condenseur.
niveau de l’évaporateur.
Energie consommée : le travail au niveau de compresseur Wcomp
Coefficient de performance (COP) de Carnot : COP Carnot Voir poly de prof Pages 66 et 68
=
−
=
−
TC : T de changement de phase à Pression max (voir les données de problème TF: T de changement de phase à Pression Min (voir les données de problème
Cours thermodynamique 1 année
2014/2015
Rendement
Ƞ =
II.
Diagramme P-h : exemple Ammoniac R717=NH3
Ƞ =
P en Bar
S=Constante
L
L+V V
X = Titre massique
T=50°C
h Kj/Kg
