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RÉSUMÉ
La détermination du rendement exergétique de transfert de chaleur peut devenir un casse-tête lorsqu'il prend des valeurs négatives ou nulles selon les niveaux de température. Cet article va développer par des illustrations originales l’expression des irréversibilités et du rendement exergétique pour toutes les configurations possibles lors d’un transfert de chaleur. Il aboutit à une expression généralisée des irréversibilités et à une conclusion utile pour les projets d’optimisation.
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Riad BENELMIR : PhD Mechanical engineering – Thermal sciences (Georgia Tech – Atlanta) - Professeur à l’Université de Lorraine Laboratoire LERMAB – Équipe efficacité énergétique
INTRODUCTION
Après l’article [BE 8 015], ce deuxième article sur l’analyse exergétique est consacré à l’application du concept de l’analyse exergétique au transfert de chaleur et aux machines dithermes. Autant la détermination de la production d’entropie et des irréversibilités associées au transfert de chaleur est une chose aisée, autant l’estimation du rendement exergétique lors d’un transfert de chaleur peut devenir complexe lorsque les niveaux de température chevauchent la température du milieu ambiant de référence, conduisant certains à appliquer des valeurs absolues pour éviter les valeurs négatives et d’autres à fixer la température du milieu ambiant de manière très arbitraire, ce qui efface totalement l’utilité de l’analyse exergétique. Des expressions généralisées des irréversibilités et du rendement exergétique sont développées permettant leur intégration dans des codes de calcul pour des fins d’optimisation. La même difficulté est rencontrée dans l’analyse exergétique des machines motrices et réceptrices. Longtemps méconnue, l’efficacité énergétique, et non le rendement ou coefficient de performance COP, retrouve son importance vu qu’on démontre qu’elle correspond au rendement exergétique selon des conditions propres au type de machine. Grâce à des illustrations simples et concrètes cet article permet d’appréhender et de maîtriser le calcul des irréversibilités et du rendement exergétique. Le rôle de la température du milieu ambiant de référence est mis en avant car c’est le nœud de l’analyse exergétique.
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Analyse exergétique des machines dithermesArticle inclus dans l'offre
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1. Analyse exergétique du transfert de chaleur
1.1 Cas 1
Considérons un transfert de chaleur |q| entre une source chaude à température Tc et un puits froid à température Tf s’effectuant à des niveaux de températures au-dessus de la température du milieu ambiant de référence (figure 1) :
Avec un peu d’imagination, il est possible de réaliser ce transfert de chaleur en combinant deux machines dithermes (figure 2). Dans ce cas, il est possible d’intégrer une machine motrice, entre la source chaude et le milieu ambiant, qui produit un travail |Wc | en consommant une quantité de chaleur |q| en provenance de la source chaude et en dégageant une quantité de chaleur |q 0c | vers le milieu ambiant. Par ailleurs, il est également possible d’intégrer une machine réceptrice entre le puits froid et le milieu ambiant qui va consommer un travail |Wf | et produire une quantité de froid |q 0f | au milieu ambiant et en dégageant une quantité de chaleur |q| vers le puits froid. Le travail issu de la machine motrice sert à actionner la machine réceptrice ; cependant, une partie de ce travail est perdue en irréversibilités dispersées dans le milieu ambiant.
Exprimons la relation entre le travail et la chaleur pour la machine motrice en appliquant le 2e principe de thermodynamique à un cycle réversible (pas de production d’entropie) permettant d’exprimer le rendement de la machine en fonction des températures et par conséquent du facteur de Carnot (figure 3). On déduit que le travail moteur |Wc | n’est autre que l’exergie thermique associée au transfert de chaleur |q| depuis la source chaude.
Exprimons maintenant la relation entre le travail et la chaleur pour la machine réceptrice en appliquant le 2e principe de thermodynamique à un cycle réversible (pas de production d’entropie) permettant d’exprimer le coefficient de performance COP de la machine en fonction des températures et par conséquent...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SZARGUT (J.) - Grenzen fur die Anwendungsmoeglichkeiten des Exergiebegriffs. - Brennstoff-Warme-Kraft, vol. 19, n° 6, p. 309-313 (1967).
-
(2) - MORAN (M.J.) - Availability analysis : a guide to efficient energy use. - Prentice Hall, Inc., WARK (K.), Thermodynamics, Mc Graw-Hill Book Company (1983).
-
(3) - BENELMIR (R.) - Second law analysis of a cogeneration cycle. - PhD thesis, Georgia Tech, Atlanta, États-Unis (1989).
-
(4) - RIOLLET (G.) - Thermodynamique appliquée – L’exergie. - Techniques de l’Ingénieur, vol. B, n° 1212 (1992).
-
(5) - BRODYANSKI (V.M.), SORIN (M.V.), LE GOFF (P.) - The efficiency of industrial processes : exergy analysis and optimization. - Elsevier Science BV, The Netherlands (1994).
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(6)...
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