L’essentiel du cours 511
4 Machine avec écoulement de fluide
Intéressons-nous maintenant aux machines dans lesquelles un fluide subit un cycle en s’écoulant
au travers de différents organes (compresseurs, échangeurs thermiques, turbines, etc.). C’est le cas
dans une machine à vapeur, une turbine à gaz, un réacteur d’avion, une machine frigorifique. Ce
n’est pas le cas dans la machine de Stirling étudiée précédemment ou dans les moteurs à essence
ou diesel puisque dans ces machines toutes les transformations ont lieu dans un même cylindre.
À titre d’exemple, étudions plus particulièrement une installation à vapeur d’eau avec turbine,
constituant une machine motrice. Dans les centrales électriques (à combustion chimique ou nucléaire) ce type de machine thermique est utilisé pour entraîner un alternateur, qui convertit
l’énergie mécanique fournie par la machine en énergie électrique distribuée via le réseau électrique.
La figure 19.5 présente le principe de fonctionnement d’une machine à vapeur qui suit le cycle de
Rankine avec surchauffe de la vapeur (appelé aussi cycle de Hirn), dans lequel l’eau s’écoule
à travers différents organes (turbine, pompe, échangeurs thermiques), en passant alternativement
de l’état liquide à l’état gazeux.
Combustion
Condenseur
Chaudière
Turbine
Pompe
Eau de refroidissement
Alternateur
Réseau
électrique
Figure 19.5. Principe de fonctionnement d’une machine à vapeur.
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
h (kJ · kg
−1 )
10
−2
10
−1
10
0
10
1
10
2
10
3
P (bar)
1
2 2
3
4
5 5
6 6
1
s = 6, 3
311
◦ C
46
◦ C
Eau
Figure 19.6. Cycle de Hirn dans
le diagramme (P, h).
Le cycle suivi par le système est représenté sur la figure 19.6 dans le diagramme (P, h). Il est
composé de différentes étapes.
• Transformation 12 : l’eau est vaporisée à température et pression constante dans la chaudière. Dans l’état 2, l’eau est sous forme de vapeur saturante.
• Transformation 23 : la vapeur d’eau est chauffée à pression constante (surchauffe) dans la
chaudière.
• Transformation 34 : le fluide se détend dans la turbine suivant une transformation adiabatique réversible (isentropique). L’état 4 est alors un mélange diphasé liquide-vapeur.
• Transformation 45 : l’eau est refroidie dans le condenseur au contact de la source froide.
Dans l’état 5 l’eau est sous forme de liquide saturant.
• Transformation 56 : le liquide est comprimé par la pompe, de manière adiabatique.
• Transformation 61 : l’eau liquide est chauffée à pression constante dans la chaudière jusqu’à
l’état de liquide saturant.
© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.
partagelivrescpge.blogspot.com
4 Machine avec écoulement de fluide
Intéressons-nous maintenant aux machines dans lesquelles un fluide subit un cycle en s’écoulant
au travers de différents organes (compresseurs, échangeurs thermiques, turbines, etc.). C’est le cas
dans une machine à vapeur, une turbine à gaz, un réacteur d’avion, une machine frigorifique. Ce
n’est pas le cas dans la machine de Stirling étudiée précédemment ou dans les moteurs à essence
ou diesel puisque dans ces machines toutes les transformations ont lieu dans un même cylindre.
À titre d’exemple, étudions plus particulièrement une installation à vapeur d’eau avec turbine,
constituant une machine motrice. Dans les centrales électriques (à combustion chimique ou nucléaire) ce type de machine thermique est utilisé pour entraîner un alternateur, qui convertit
l’énergie mécanique fournie par la machine en énergie électrique distribuée via le réseau électrique.
La figure 19.5 présente le principe de fonctionnement d’une machine à vapeur qui suit le cycle de
Rankine avec surchauffe de la vapeur (appelé aussi cycle de Hirn), dans lequel l’eau s’écoule
à travers différents organes (turbine, pompe, échangeurs thermiques), en passant alternativement
de l’état liquide à l’état gazeux.
Combustion
Condenseur
Chaudière
Turbine
Pompe
Eau de refroidissement
Alternateur
Réseau
électrique
Figure 19.5. Principe de fonctionnement d’une machine à vapeur.
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
h (kJ · kg
−1 )
10
−2
10
−1
10
0
10
1
10
2
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P (bar)
1
2 2
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4
5 5
6 6
1
s = 6, 3
311
◦ C
46
◦ C
Eau
Figure 19.6. Cycle de Hirn dans
le diagramme (P, h).
Le cycle suivi par le système est représenté sur la figure 19.6 dans le diagramme (P, h). Il est
composé de différentes étapes.
• Transformation 12 : l’eau est vaporisée à température et pression constante dans la chaudière. Dans l’état 2, l’eau est sous forme de vapeur saturante.
• Transformation 23 : la vapeur d’eau est chauffée à pression constante (surchauffe) dans la
chaudière.
• Transformation 34 : le fluide se détend dans la turbine suivant une transformation adiabatique réversible (isentropique). L’état 4 est alors un mélange diphasé liquide-vapeur.
• Transformation 45 : l’eau est refroidie dans le condenseur au contact de la source froide.
Dans l’état 5 l’eau est sous forme de liquide saturant.
• Transformation 56 : le liquide est comprimé par la pompe, de manière adiabatique.
• Transformation 61 : l’eau liquide est chauffée à pression constante dans la chaudière jusqu’à
l’état de liquide saturant.
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