Présentation
Auteur(s)
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Renaud GICQUEL : Professeur à l’École des mines de Paris - Directeur du Centre d’énergétique
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Lire l’articleINTRODUCTION
En mettant en évidence les transformations subies par les fluides et en permettant de les calculer, au moins de manière approximative, les diagrammes font partie des outils de base du thermodynamicien. Leur intérêt est double :
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permettre de représenter graphiquement les cycles ;
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faciliter l’estimation des propriétés thermodynamiques des fluides.
Du fait des possibilités offertes par les progiciels de calcul des propriétés des fluides qui sont de plus en plus répandus, le second intérêt a tendance à diminuer tandis que le premier conserve toute son actualité. Visualiser sur un diagramme un cycle calculé à l’aide d’un outil informatisé permet même souvent de s’assurer qu’il ne comporte pas de point aberrant dû à une erreur lors de l’entrée des données...
Un diagramme se présente sous forme d’un graphique plan comportant le tracé d’un certain nombre de courbes remarquables, notamment des familles d’isovaleurs des fonctions d’état.
Pour un diagramme papier, la lecture de l’état d’un point se fait d’une part sur les axes, et d’autre part par interpolation entre les courbes d’isovaleurs. Pour un diagramme interactif, elle s’obtient par un simple clic de souris, les valeurs précises étant affichées à l’écran.
Comme nous le montrerons dans cet article, différents systèmes de coordonnées sont retenus selon les cas, les plus utilisés pour les corps purs étant le diagramme entropique (T, s), le diagramme de Mollier (h, s) et le diagramme (h, ln P) dit des frigoristes.
Cette étude est divisée en quatre parties :
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une présentation des généralités sur les diagrammes et un rappel des bases de thermodynamique, objet du présent article ;
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l’analyse des diagrammes des fluides purs, des mélanges azéotropiques et des gaz idéaux (article Diagrammes thermodynamiques- Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux) ;
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l’étude des diagrammes de mélanges de fluides non azéotropiques (article Diagrammes thermodynamiques- Mélanges utilisés en réfrigération) ;
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une présentation de quelques progiciels de thermodynamique.
D’une manière générale, nous avons volontairement adopté une présentation aussi simple que possible des choses, orientée vers la seule compréhension des diagrammes et des progiciels de thermodynamique, avec quelques indications sur leur construction pratique.
Les lecteurs intéressés par de plus amples développements théoriques pourront se reporter aux références bibliographiques, et en particulier à l’article Propriétés thermodynamiques des fluides.
Enfin, précisons que ces articles font, avec l’autorisation des Presses de l’École des Mines de Paris, de très larges emprunts au chapitre 2 de l’ouvrage de l’auteur intitulé « Systèmes Énergétiques, Tome 1 : méthodologie d’analyse, bases de thermodynamique, Thermoptim ». Les notations sont celles de ce livre, à quelques variantes près effectuées par souci d’homogénéité avec d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur.
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VERSIONS
- Version archivée 2 de juil. 2015 par Renaud GICQUEL
- Version courante de mars 2020 par Renaud GICQUEL
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Conséquences pour les diagrammes thermodynamiquesArticle inclus dans l'offre
"Physique énergétique"
(74 articles)
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1. Principales transformations dans les processus industriels
Les opérations industrielles se déroulent généralement en continu, chaque composant (turbine, pompe, vanne...) recevant et évacuant de la matière en permanence. Lorsque, comme c’est souvent le cas, leurs conditions de fonctionnement sont stabilisées, éventuellement de manière périodique, on parle de « régime permanent » ou de « régime stationnaire ». Dans ces conditions, les processus industriels doivent être considérés comme des systèmes ouverts au sens de la thermodynamique.
Même lorsque les évolutions réelles ont lieu en système fermé, comme par exemple dans un compresseur volumétrique, on s’intéresse généralement moins à ce qui se passe à l’intérieur de l’enceinte fermée qu’à l’état moyen stationnaire obtenu en amont et en aval de la machine, qui peut alors être calculée en système ouvert par rapport aux états amont et aval.
Pour toutes ces raisons, le calcul des processus industriels doit presque toujours être fait en système ouvert, et le premier principe appliqué à un composant traversé par un débit unitaire de fluide s’exprime, en unités massiques, sous la forme :
( 1 )
Pour la plupart des machines mettant en jeu des fluides thermodynamiques, le terme g Δ z est négligeable. Dans de nombreux cas, la variation d’énergie cinétique ΔK reste faible vis-à-vis des autres variations (sauf bien entendu dans des cas spéciaux tels que les réacteurs d’avion, certains aubages de turbomachines ou organes de détente). Dans ces conditions, la somme du travail reçu ou fourni par le composant et de la quantité de chaleur qu’il échange avec l’extérieur est égale à la variation d’enthalpie du fluide qui le traverse.
Pour des raisons diverses, il est pratiquement impossible de mettre en œuvre dans les appareils industriels à la fois une forte puissance mécanique et un flux thermique important.
Les composants appelés à transférer de la chaleur d’un fluide à un autre nécessitent de grandes surfaces d’échange, les flux thermiques leur étant proportionnels. Des considérations...
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