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RÉSUMÉ
Les diverses relations entre les coefficients calorimétriques puis les expressions des variations des fonctions d'état sont rappelées et les propriétés des gaz, liquides et vapeurs sont ensuite présentées. Comme l' efficacité des générateur fonctionnant avec un gaz reste faible, la plupart des générateurs utilisent un fluide diphasique liquide-vapeur dont le e fonctionnement et les configurations sont ensuite détaillés. Enfin, une analyse exergétique des cycles des machines frigorifiques et des pompes à chaleur est rend compte de la dégradation de l'énergie.
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André LALLEMAND : Ingénieur INSA - Docteur ès-sciences physiques - Ex-Professeur des universités - Ex-Directeur du département de génie énergétique de l’INSA, Lyon
INTRODUCTION
Cet article fait suite à l’article [BE 8 064]. Il constitue une application spécifique aux générateurs qui convertissent de l’énergie mécanique (ou électrique) en énergie thermique pour faire du froid ou de la chaleur. En conséquence, il sera fait appel si nécessaire à ce premier article. Dans le premier cas d’applications, on a affaire aux réfrigérateurs ; dans le second, il s’agit des pompes à chaleur.
Cependant, avant de traiter directement de ces machines, il convient de compléter les connaissances générales relatives aux fluides utilisés en tant que fluides thermodynamiques (c’est-à-dire de travail), apparaissant sous leurs trois formes : gazeuse, liquide et diphasique liquide-vapeur. Ce sont donc des informations de base sur la physique de ces fluides qui sont données en premier lieu, avant de présenter les énergies mises en jeu lors de leur compression ou détente. Dans tous les cas, il est nécessaire de connaître les expressions basiques des variations des fonctions d’état de ces fluides. C’est pourquoi, en tout début d’article sont présentées diverses expressions des échanges thermiques entre un système et son environnement.
Le but de l’article n’étant pas de fournir des éléments constructifs des générateurs thermomécaniques, sa présentation est limitée aux aspects généraux et théoriques, c’est-à-dire aux principes de fonctionnement, que ce soit pour les machines fonctionnant strictement avec un gaz (en général de l’air) ou pour les machines, beaucoup plus courantes, utilisant un fluide sous ses trois états et que l’on qualifie de machines à vapeur de fluide frigorigène.
Comme dans le cas de l’article général sur les convertisseurs d’énergie, celui-ci fournit, en dernière partie des éléments d’application de la théorie exergétique aux générateurs.
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4. Conclusion
Les différents rappels relatifs aux fonctions d’état thermodynamiques et aux expressions de leurs variations, ainsi que les équations d’état des fluides, présentés dans le paragraphe 1, permettent d’exprimer les diverses énergies mises en jeu dans les générateurs thermomécaniques qui utilisent des gaz et surtout des fluides diphasiques comme fluides frigorigènes.
Les cycles d’évolution du fluide associés aux schémas de principe des générateurs ainsi que leurs caractéristiques énergétiques sont fournis dans le paragraphe 2. L’analyse énergétique des deux générateurs thermiques, machines frigorifiques (MF) et pompes à chaleur (PAC), montre que l’énergie utile obtenue est supérieure à l’énergie consommée. Les coefficients de performance frigorifique et thermique sont supérieurs à l’unité. Ce résultat est général pour les pompes à chaleur. Il l’est aussi pour les machines frigorifiques tant que la température de la source froide n’est pas trop basse.
La comptabilité exergétique renverse totalement ce résultat. Elle montre un effet utile toujours inférieur à la consommation (rendement exergétique inférieur à l’unité) et ainsi rend compte de la dégradation de l’énergie (deuxième principe de la thermodynamique) due aux irréversibilités inhérentes au fonctionnement de tout système.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - REFPROP - - Thermodynamic and transport properties database (REFPROP) : Version 10 http://www.nist.gov/srd/refprop
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(2) - ASHRAE Handbook - Version informatique - http://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
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(3) - PEREZ (J.-P.), LAGOUTE (C.) - Thermodynamique : fondements et applications. - Dunod, Paris (2001).
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(4) - FEIDT (M.) - Énergétique. Concepts et applications. - Dunod, Paris (2006).
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(5) - BOREL (L.), FAVRAT (D.) - Thermodynamique et énergétique. De l’énergie à l’exergie. - Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne (2011).
-
(6) - LALLEMAND (A.) - Phénomènes de transferts. Transferts diffusifs, convectifs, ondulatoires et couplage des phénomènes. - Ellipses,...
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