Éléments de thermodynamique technique

Sommaire

AVANT-PROPOS .vii
PRÉFACE ix
CHAPITRE 1
LE PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE  1
1. Les notions thermiques fondamentales . 1
1.1. La température. 1
1.2. L'action calorifique 4
1.3. Les chaleurs massiques 5
2. L'équation d'état d'une substance  6
2.1. Les trois états de la matière . 6
2.2. Les changements d'état 7
2.3. La règle des phases 8
2.4. L'équation d'état. 9
2.5. Les états de référence  11
2.5.1. L'état de référence pour les systèmes gazeux. 11
2.5.2. L'état de référence pour les systèmes liquides 11
3. L'équation fondamentale de la dynamique 11
3.1. Le travail des forces intérieures. 12
3.2. Le travail des forces extérieures  13
3.3. L'équation fondamentale de la dynamique  13
4. Le premier principe de la thermodynamique  13
4.1. Le principe d'équivalence pour une transformation cyclique  15
4.2. Le principe d'équivalence pour une transformation ouverte 15
5. L'équation thermodynamique de base. 16
5.1. L'équation thermodynamique de base sous sa première forme et l'énergie interne. 16
5.2. L'équation thermodynamique de base sous sa deuxième forme et l'enthalpie. 18
6. Le caractère irréversible des transformations 19
CHAPITRE 2
LE SECOND PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE . 21
1. L'entropie  22
2. L'inégalité de CLAUSIUS 24
3. Le postulat de NERNST 25
4. Les dérivées partielles de l'entropie  26
5. Les potentiels thermodynamiques et les relations de MAXWELL  28
6. Les expressions différentielles des fonctions d'état. 30
7. L'enthalpie libre comme fonction canonique  32
ELÉMENTS DE THERMODYNAMIQUE TECHNIQUE
ii Cours universitaires
CHAPITRE 3
LES MACHINES THERMODYNAMIQUES . 35
1. Les notions de machine opératrice et de machine motrice 35
1.1. Le travail exercé sur un fluide dans une machine opératrice. 35
1.2. Le travail exercé par un fluide dans une machine motrice  37
1.3. Les expressions énergétiques du travail opérateur et du travail moteur dans une
machine thermodynamique . 38
1.4. L'équation de BERNOULLI 39
2. Modes d'interaction entre un fluide et un organe de machine . 39
2.1. Les machines de type volumétrique  40
2.1.1. Le travail opérateur et le travail moteur dans les machines volumétriques. 40
2.1.2. Les machines volumétriques alternatives. 42
2.1.3. Les machines volumétriques rotatives . 44
2.2. Les machines de type dynamique ou turbomachines. 47
2.2.1. Le travail dans les turbomachines et les équations d'EULER 47
2.2.2. Les déductions des équations d'EULER. 50
2.2.3. Les turbomachines radiales. 52
2.2.4. Les turbomachines axiales 55
2.2.5. Les turbomachines tangentielles. 58
CHAPITRE 4
LES CYCLES THERMODYNAMIQUES . 59
1. Le diagramme entropique (T,S). 59
2. La transformation adiabatique. 61
3. Les cycles thermodynamiques  62
3.1. Les cycles moteurs  64
3.1.1. Le cycle monotherme . 64
3.1.2. Le cycle moteur à deux sources de chaleur 65
3.1.3. Bilan énergétique d'une installation thermique motrice. 67
3.1.4. Le cycle moteur de CARNOT. 68
3.2. L'exergie 70
3.2.1. Le facteur de qualité de l'énergie calorifique 71
3.2.2. La fonction exergie . 72
3.2.3. Le rendement exergétique d'un cycle moteur. 74
3.2.4. Bilan exergétique d'une installation thermique motrice. 76
3.3. Les cycles opérateurs. 77
3.3.1. Le cycle de CARNOT frigorifique 78
3.3.2. Le cycle de CARNOT calorifique. 79
3.3.3. L'approche exergétique. 79
Cours universitaires iii
CHAPITRE 5
LA THERMODYNAMIQUE DES GAZ . 81
1. L'état gazeux idéal. 81
1.1. L'équation d'état du gaz idéal  81
1.2. La loi de Joule . 83
1.3. Les chaleurs massiques ou molaires 85
1.4. Le diagramme (t,s) du gaz idéal  87
1.5. La transformation isentropique du gaz idéal . 90
2. Les mélanges de gaz 92
2.1. La loi de DALTON et la masse molaire fictive d'un mélange de gaz  92
2.2. Les fonctions thermodynamiques des mélanges de gaz  94
2.2.1. L'enthalpie et l'énergie interne d'un mélange de gaz 94
2.2.2. L'entropie d'un mélange de gaz  95
3. L'état gazeux non idéal 96
3.1. L'équation de VAN DER WAALS . 97
3.2. Les équations dérivées de l'équation de VAN DER WAALS. 100
3.3. Les variables réduites et la loi des états correspondants 102
3.4. Le facteur de compressibilité. 103
3.5. Les équations d'état semi-empiriques 105
CHAPITRE 6
LA THERMODYNAMIQUE DES VAPEURS . 107
1. La continuité entre les états gazeux et liquide. 107
2. Le phénomène de vaporisation 109
3. Le diagramme (p,v) d'une vapeur 110
4. La surface d'état (p,v,T) d'une substance. 113
5. L'action calorifique de formation d'une vapeur. 114
5.1. La chaleur d'échauffement du liquide 115
5.2. La chaleur de vaporisation. 116
5.3. La chaleur de surchauffe . 118
6. L'énergie interne, l'enthalpie et l'entropie d'une vapeur saturée humide . 118
6.1. Variation des fonctions U, H et S le long de l'isotherme liquide de 0°C  119
6.2. Calcul des fonctions u , h et s pour les états de vapeur saturée  120
7. Le diagramme ( t,s ) d'une vapeur. 123
8. La surface d'état ( p, S, T ) d'une substance. 125
9. L'ensemble des équations caractéristiques d'un fluide. . 129
9.1. Les équations d'état relatives à la phase liquide  129
9.1.1. Le liquide sous-refroidi. 129
9.1.2. Le liquide saturé 130
9.2. Les équations d'état relatives à la phase gazeuse. 132
10. Le diagramme (h,s) de la vapeur d'eau 135
11. Le diagramme (p,h) d'un fluide frigorigène  139
ELÉMENTS DE THERMODYNAMIQUE TECHNIQUE
iv Cours universitaires
CHAPITRE 7
LES MÉLANGES GAZEUX HUMIDES. 141
1. Le point de rosée d'un mélange gazeux. 141
2. L'humidité vapeur et l'humidité absolue d'un mélange gazeux . 143
3. L'enthalpie d'un mélange gazeux humide . 145
4. L'air humide  146
5. L'évaporation de l'eau au contact de l'air. 149
6. La mesure de l'humidité de l'air  151
7. Le refroidissement de l'eau dans un réfrigérant atmosphérique  153
CHAPITRE 8 . 159
LA COMPRESSION DES GAZ  159
1. Classification des machines de compression. 159
2. Etude thermodynamique de la compression 161
2.1. La compression d'un gaz dans un turbocompresseur. 161
2.1.1. Le modèle de compression isentropique  161
2.1.2. Le modèle de compression polytropique . 162
2.1.3. La puissance opératrice et la puissance absorbée. 166
2.1.4. Le cas particulier du ventilateur166
2.2. La compression d'un gaz dans un compresseur à piston 169
2.2.1. Le diagramme indicateur . 169
2.2.2. Le coefficient de remplissage . 170
2.2.3. Le travail opérateur et le rendement . 173
2.2.4. La puissance absorbée  178
2.3. La compression dans les compresseurs volumétriques rotatifs . 179
2.3.1. Le compresseur à palettes.179
2.3.2. Le compresseur ROOTS. 180
2.3.3. Le compresseur LYSHOLM 182
3. La compression multiégagée avec refroidissement intermédiaire. 185
CHAPITRE 9
LA DÉTENTE DES GAZ  191
1. Les turbomachines de détente des gaz  191
1.1. Les turbines à vapeur. 191
1.2. Les turbines à gaz 192
2. Etude thermodynamique de la détente  193
2.1. La détente adiabatique. 193
2.2. La détente non adiabatique 197
3. Le rendement mécanique et la puissance  201
Cours universitaires v
CHAPITRE 10
APPROCHES ÉNERGÉTIQUE ET EXERGÉTIQUE DE LA COMBUSTION. 203
1. Le rendement énergétique de génération de chaleur par combustion. 203
1.1. Le pouvoir calorifique d'un combustible . 203
1.2. Le pouvoir comburivore d'un combustible 204
1.3. Le coefficient d'excès d'air d'une combustion . 205
1.4. Le bilan énergétique d'une combustion adiabatique 206
1.5. Le rendement énergétique de génération de chaleur par combustion 207
2. Le rendement exergétique de génération de chaleur par combustion 209
2.1. L'exergie d'un combustible 209
2.2. L'exergie des gaz comburés. 211
2.3. Le rendement exergétique de la combustion . 212
2.4. Le rendement exergétique du transfert de chaleur entre les fumées et le fluide
moteur 213
2.5. La perte d'exergie à la cheminée . 214
2.6. Le rendement exergétique de génération de chaleur par combustion 214
CHAPITRE 11
LES INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR. 217
1. Le cycle thermodynamique de base  218
2. Analyse énergétique 219
3. Analyse exergétique 224
4. Les améliorations du cycle de base. 227
4.1. Les soutirages de vapeur pour réchauffer l'eau alimentaire. 227
4.2. La resurchauffe de la vapeur . 230
4.3. La combinaison de la resurchauffe et des soutirages. 232
5. Les installations nucléaires à eau sous pression 233
CHAPITRE 12
LES TURBINES À COMBUSTION INTERNE  237
1. La turbine à gaz. 238
1.1. Analyse énergétique  240
1.2. Analyse exergétique  244
2. La turbine à gaz avec récupérateur de chaleur  244
3. La turbine à gaz à compression étagée 246
4. Les installations à cycles combinés gaz-vapeur  248
CHAPITRE 13
LES MOTEURS À COMBUSTION INTERNE. 253
1. Description et fonctionnement  253
2. Analyse énergétique 255
2.1. Bilan de la phase fonctionnelle motrice  255
2.2. Cycles thermodynamiques de base 257
2.3. Influence de l'action calorifique pariétale 261
ELÉMENTS DE THERMODYNAMIQUE TECHNIQUE
vi Cours universitaires
3. Les pressions moyennes indiquée et effective  263
3.1. Le rendement indiqué et la pression moyenne indiquée 263
3.2. Le rendement mécanique et la pression moyenne effective  265
4. La suralimentation. 266
5. Le rendement énergétique total et la puissance effective 269
5.1. Le rendement énergétique total . 269
5.2. La puissance effective . 270
CHAPITRE 14
LA PRODUCTION COMBINÉE DE CHALEUR ET D'ÉLECTRICITÉ . 273
1. Le concept de cogénération. 273
2. Les différents systèmes de cogénération. 275
2.1. Cogénération au moyen d'une turbine à vapeur. 276
2.2. Cogénération au moyen d'une turbine à gaz 277
2.3. Cogénération au moyen d'un moteur à combustion interne. 279
3. Les critères de performance des installations de cogénération 280
3.1. Facteurs de conversion et rendement énergétique d'ensemble  280
3.2. Rendement exergétique d'ensemble. 282
3.3. Economie relative d'énergie primaire  284
CHAPITRE 15
LES INSTALLATIONS THERMIQUES OPÉRATRICES.. 287
1. Les machines frigorifiques à compression  287
1.1. Le cycle thermodynamique de base. 287
1.2. Le choix du fluide frigorigène. 289
1.3. Analyse thermodynamique 291
1.4. Le cycle frigorifique à compression et détente étagées . 294
1.5. Les machines frigorifiques à plusieurs fluides  296
2. Les machines frigorifiques à absorption . 300
2.1. L'équilibre liquide – vapeur d'un mélange binaire . 300
2.2. Le cycle thermodynamique de la machine frigorifique à absorption. 302
3. La pompe à chaleur . 307
3.1. Le cycle thermodynamique de base. 307
3.2. Les sources de chaleur. 309
3.2.1. La source froide  309
3.2.2. La source chaude. 310
3.3. Analyse thermodynamique 310
3.4. Application numérique  311
LISTE DES SYMBOLES  315
INDEX ALPHABÉTIQUE DES MATIÈRES . 319
BIBLIOGRAPHIE . 329
SOURCES DES ILLUSTRATIONS . 331