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Article

1 - FLUIDES THERMODYNAMIQUES

  • 1.1 - Problématique des fluides thermodynamiques
  • 1.2 - Critères de choix entre les fluides thermodynamiques

2 - RAPPELS DE GÉNIE ÉNERGÉTIQUE

  • 2.1 - Principales transformations dans les processus industriels
  • 2.2 - Conséquence pour les diagrammes thermodynamiques
  • 2.3 - Définitions, rappels de thermodynamique

3 - REPRÉSENTATION DES PROPRIÉTÉS DES CORPS

  • 3.1 - Phases solide, liquide, gazeuse
  • 3.2 - Gaz parfaits et idéaux
  • 3.3 - Liquides et solides
  • 3.4 - Équilibre liquide-vapeur d'un corps pur
  • 3.5 - Représentations des fluides réels

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

| Réf : BE8040 v2

Fluides thermodynamiques
Diagrammes thermodynamiques - Généralités sur les fluides

Auteur(s) : Renaud GICQUEL

Date de publication : 10 juil. 2015

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RÉSUMÉ

Cet article traite essentiellement des fluides thermodynamiques, leur étude étant indissociable de celle des diagrammes. Il comporte trois grandes parties : la première traite des évolutions récentes de la problématique et des critères de sélection des fluides thermodynamiques, la seconde présente quelques rappels de génie énergétique et la troisième est consacrée aux différents modèles les plus utilisés pour représenter les corps purs.

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ABSTRACT

This article deals primarily with thermodynamic fluids, their study being inseparable from that of charts. It has three main parts: the first one deals with recent developments and selection criteria for thermodynamic fluids, the second one presents a brief review of applied thermodynamics, and the third one is devoted to the various models mostly used to represent pure substances.

Auteur(s)

  • Renaud GICQUEL : Professeur, PSL - Research University, PERSEE - Centre procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France

INTRODUCTION

Un diagramme de fluide thermodynamique se présente sous forme d'un graphique plan comportant le tracé d'un certain nombre de courbes remarquables, notamment des familles d'isovaleurs de ses fonctions d'état.

En mettant en évidence les transformations subies par ces fluides et en permettant de les calculer, au moins de manière approchée, les diagrammes font partie des outils de base du thermodynamicien.

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 montrons 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 (h, ln P) dit des frigoristes et le diagramme de Mollier (h, s).

Même si les progiciels de calcul des propriétés des fluides sont de plus en plus répandus, les diagrammes thermodynamiques continuent de jouer un rôle essentiel.

Leur intérêt est triple :

  • permettre de visualiser les propriétés des fluides ;

  • permettre de représenter graphiquement les cycles ;

  • faciliter l'estimation des caractéristiques thermodynamiques des fluides.

Le troisième intérêt a tendance à diminuer tandis que les deux premiers conservent toute leur actualité. En particulier, 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...

C'est parce que l'étude des diagrammes thermodynamiques est indissociable de celle des fluides qu'une série de quatre articles leur est dédiée :

  • la présentation des généralités sur les diagrammes avec un rappel des bases de thermodynamique, objet du présent article [BE 8 040] ;

  • l'analyse des diagrammes des fluides purs, des mélanges azéotropiques et des gaz idéaux (article [BE 8 041] « Diagrammes thermodynamiques. Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux ») ;

  • l'étude des diagrammes de mélanges de fluides non azéotropiques (article [BE 8 042] « Diagrammes thermodynamiques. Mélanges utilisés dans les machines thermiques » ;

  • une présentation de quelques progiciels de thermodynamique [BE 8 044].

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 [BE 8 020]. Propriétés thermodynamiques des fluides.

Enfin, précisons que ces articles font, de très larges emprunts au chapitre 2 de l'ouvrage « 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 de cette collection.

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KEYWORDS

thermodynamic fluid   |   charts

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-be8040


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1. Fluides thermodynamiques

Toutes les machines thermiques sont parcourues par au moins un fluide qui subit des évolutions (échauffements, refroidissements, compressions, détentes...) et échange de l'énergie avec l'extérieur. Par exemple, dans une centrale à vapeur, il s'agit d'eau, dans une turbine à gaz d'air et de gaz brûlés, dans un réfrigérateur d'un fluide frigorigène ou réfrigérant. De manière générique, ce fluide est appelé fluide thermodynamique ou fluide de travail.

Depuis la fin du XIX e siècle, les fluides thermodynamiques ont été utilisés tant pour la conversion de la chaleur en énergie mécanique (cycles moteurs) que pour la production de froid ou les systèmes de pompe à chaleur (cycles récepteurs).

Depuis une trentaine d'années, deux préoccupations environnementales sont venues remettre en cause l'utilisation des fluides thermodynamiques, essentiellement ceux utilisés jusqu'à récemment dans les machines de réfrigération : la rupture de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre.

La recherche de procédés plus propres et plus efficaces conduit à étudier des cycles thermodynamiques novateurs et a pour conséquence que de nouveaux fluides continuent d'être mis au point pour répondre à l'évolution des besoins du génie énergétique, qu'il s'agisse de corps purs ou de mélanges.

Dans ce paragraphe 1, nous présentons succinctement cette problématique et expliquons quels sont les critères à considérer lorsque l'on désire choisir un fluide thermodynamique pour une application donnée.

1.1 Problématique des fluides thermodynamiques

Aperçu historique

Les premiers cycles de réfrigération, réalisés vers 1875, utilisaient des fluides comme l'ammoniac, le dioxyde de soufre ou le gaz carbonique. Par la suite, dans la première moitié du XX e siècle sont apparus de nouveaux fluides dérivés chlorofluorés du méthane et de l'éthane (les chlorofluorocarbones CFC) et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC). Pour des raisons multiples, tant techniques (performances thermodynamiques, compatibilité avec les huiles, joints, métaux, pressions acceptables...) que d'acceptabilité sociale...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOREL (L.) -   Thermodynamique et énergétique.  -  Presses Polytechniques Romande, Lausanne, vol. 1, 1984, vol. 2 (Exercices corrigés) (1987).

  • (2) - BOREL (L.) -   Introduction aux nouveaux bilans énergétiques.  -  Entropie, no 153, 154, Paris (1990).

  • (3) - CHASE et al -   Janaf thermochemical tables.  -  J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 14, Suppl. 1 (1985).

  • (4) - FARGUE (D.) -   Aide-mémoire de thermodynamique.  -  Presses de l'École des Mines, Paris (1999).

  • (5) - FER (F.) -   Thermodynamique macroscopique.  -  Tome 1 : Systèmes fermés. Gordon & Breach Science Publ. (1970).

  • (6) - FER (F.) -   Thermodynamique macroscopique.  -  Tome 2 : Systèmes ouverts. Gordon & Breach Science Publ....

1 Outils logiciels

L'article [BE 8 044] passe en revue toute une série de progiciels de thermodynamique

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Le portail Thermoptim-UNIT renvoie sur plusieurs sites Internet dédiés aux fluides thermodynamiques http://www.thermoptim.org/

HAUT DE PAGE

3 Normes et standards

American standard ANSI/ASHRAE 34 – Designation and Satety

Classification of Refrigerants, Ashrae, 2010.

HAUT DE PAGE

4 Annuaire

HAUT DE PAGE

4.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

CNAM (IFI) http://iffi.cnam.fr...

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