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Auteur(s)
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur ès sciences - Professeur émérite des universités. Ancien directeur du département de Génie énergétique de l'INSA de Lyon
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les compressions et détentes des fluides compressibles, gaz ou vapeurs, sont des opérations fondamentales dans le fonctionnement des machines thermiques telles que les machines frigorifiques ou les moteurs, que ceux-ci soient à combustion interne alternatifs (moteurs à essence et moteurs Diesel) ou à flux continu (turbines à gaz) ou à apport énergétique externe comme les turbines à vapeur. Dans les moteurs à combustion interne les deux opérations se présentent successivement, alors que dans le cas des turbines à vapeur on ne trouvera que la détente et dans les machines frigorifiques courantes que la compression.
Ces opérations correspondent à des transformations ouvertes d’un système, au sens thermodynamique du terme, mettant en jeu toujours de l’énergie mécanique et, selon les cas, de l’énergie thermique. En effet, la recherche de la production maximale de travail au cours d’une détente de gaz ou celle de la consommation minimale d’énergie mécanique pour une compression nécessite, non seulement de chercher à se rapprocher au maximum d’un processus réversible (deuxième principe de la thermodynamique), mais également de mettre en jeu des échanges de chaleur particuliers (premier principe de la thermodynamique). Le cas le plus simple de transformation étant de type adiabatique, il convient de connaître quelle pénalité ce type d’évolution entraîne sur les performances des machines.
Cet article de thermodynamique appliquée a pour but d’obtenir des réponses à l’ensemble de ces questions, par une bonne connaissance des phénomènes de base et par une étude comparative des différents types de transformations envisageables et réalisables. Le développement de ces analyses met en œuvre les principes fondamentaux de la thermodynamique et les divers bilans correspondants, dont les bilans d’énergie et d’exergie. Il débouche sur la définition de divers rendements aux significations particulières et au chiffrage de l’intérêt d’un type de compression ou de détente par rapport à un autre.
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3. Étude particulière des compressions réfrigérées
Comme l’ont mis en évidence les développements précédents et particulièrement la figure 16, les compressions refroidies consomment moins d’énergie mécanique que les compressions non ou peu refroidies. Ainsi, en pratique et dès que les puissances mises en œuvre seront conséquentes (quelques kilowatts), on refroidira le gaz en cours de compression. Deux types de refroidissement sont utilisés, séparément ou simultanément : le refroidissement continu ou réfrigération continue, d’une part, la réfrigération fractionnée, d’autre part.
Généralement, pour toute compression refroidie, le travail technique nécessaire à la compression réelle est comparé au travail de la compression polytropique associée, dont le coefficient polytropique k est compris entre 1 et γ . On peut également le comparer :
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soit au travail de la compression isothermique réversible associée, si la réfrigération est continue ;
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soit à des éléments de compression isentropique dans le cas d’une réfrigération fractionnée.
3.1 Réfrigération continue
La réfrigération continue consiste à refroidir le gaz au cours de sa variation de pression. C’est un mode de refroidissement très employé dans le cas de tous les compresseurs volumétriques. On le rencontre moins fréquemment dans les compresseurs centrifuges et il est rare, pour des raisons technologiques de construction, dans les compresseurs axiaux.
À la limite, et théoriquement, la réfrigération continue conduit à une compression isothermique réversible. Pratiquement, la température augmente malgré le refroidissement et l’évolution est irréversible.
Dans le cas d’une compression isothermique 1-2 T (figure 17) réversible ou non, le travail technique est égal, en module, à la quantité de chaleur évacuée par le fluide réfrigérant (eau ou air en général) – voir l’équation ...
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