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Chapitre 6
6.9 Cycle d’un moteur à vapeur
Dans une centrale à vapeur, l’eau circule en continu en
traversant quatre composants :
• Une pompe quasi-adiabatique dans laquelle elle
rentre à l’état de liquide saturé et qui porte sa pression depuis 0,5 bar jusqu’à 40 bar ;
• Une chaudière dans laquelle sa température est portée à 650
◦ C, à pression constante ;
• Une turbine quasi-adiabatique qui laisse l’eau retourner jusqu’à 0,5 bar en perdant de l’énergie sous forme
de travail ;
• Un condenseur qui refroidit l’eau à pression
constante (0,5 bar) jusqu’à son retour dans la pompe.
Nous acceptons les hypothèses suivantes :
• À la sortie de la turbine, la vapeur est
1 à température
de 110
◦ C.
• La compression dans la pompe est réversible, et la
masse volumique de l’eau ne varie pas lorsqu’elle la
traverse.
1. Tracez le cycle suivi par l’eau sur un diagramme pression-volume et sur un diagramme
température-volume, de façon qualitative.
2. Quelle est l’efficacité du moteur ?
3. Que se passerait-il si, pour éliminer les rejets de
chaleur, on supprimait le condenseur, en connectant l’entrée de la pompe directement sur la sortie
de la turbine ?
6.10 Réfrigération industrielle
Une chaîne de supermarchés fait appel à votre expertise
pour évaluer la rentabilité d’un ambitieux projet de
renouvellement d’une flotte de réfrigérateurs.
Tous les supermarchés de l’entreprise utilisent le même
modèle de réfrigérateur. Son efficacité est de 100 %.
Vous vous déplacez jusqu’à un supermarché représentatif, ce qui vous permet d’effectuer des mesures et de
quantifier les transferts thermiques du bâtiment. Vous
mettez en évidence que :
• La puissance absorbée sous forme de chaleur par
la chambre froide des réfrigérateurs, moyennée sur
l’année, est de 80 kW.
• L’hiver, le bâtiment perd de la chaleur avec une puissance moyenne de 400 kW. Il est réchauffé avec une
batterie de pompes à chaleur de cop 4.
• L’été, le bâtiment absorbe de la chaleur avec une
puissance moyenne de 160 kW. Il est refroidi avec
une batterie de climatiseurs de cop 0,9.
• Pendant l’automne et le printemps, les besoins en
chauffage/refroidissement sont quasi-nuls.
1 Après le chapitre 8 (l’entropie) nous saurons prédire cette température de sortie.
L’entreprise envisage de remplacer toute sa flotte de
réfrigérateurs avec un modèle d’efficacité 220 %, ce qui
demande un investissement important. Elle compte
100 supermarchés au total, et paie l’électricité 0,15A C
par kW h en moyenne.
Quelle serait l’économie financière annuelle générée
par le changement de modèle de réfrigérateur ?
6.11 Fonctionnement d’un
climatiseur
Un climatiseur fonctionne selon le circuit schématisé
en figure 6.22. Le fluide utilisé dans le circuit est de
l’air
2 .
L’air à l’intérieur du circuit y tourne de façon continue.
Le compresseur et la turbine sont tous les deux adiabatiques et nous considérons qu’ils sont réversibles. Les
transferts de chaleur se font à pression constante.
Lorsqu’on met en route le climatiseur, la température extérieure et la température intérieure sont égales
à 30
◦ C.
Les températures de l’air à l’intérieur du circuit sont
í µí± A = 20
◦ C, í µí± B = 60
◦ C, et í µí± C = 40
◦ C.
1. Représentez l’évolution sur un diagramme
pression-volume, de façon qualitative et en y représentant les transferts de travail et de chaleur.
2. Quel est le rapport des pressions entre A et B ?
3. Quelle est la température de l’air du circuit en D ?
Figure 6.22 – Schéma de principe d’un climatiseur. L’air
du circuit du climatiseur tourne en continu (A → B →
C → D → A), sans jamais quitter la machine.
Schéma CC-by-sa Olivier Cleynen
2 On utilise souvent, en pratique, des fluides qui
se liquéfient et s’évaporent dans la machine ; mais le
principe de fonctionnement reste le même.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 6
6.9 Cycle d’un moteur à vapeur
Dans une centrale à vapeur, l’eau circule en continu en
traversant quatre composants :
• Une pompe quasi-adiabatique dans laquelle elle
rentre à l’état de liquide saturé et qui porte sa pression depuis 0,5 bar jusqu’à 40 bar ;
• Une chaudière dans laquelle sa température est portée à 650
◦ C, à pression constante ;
• Une turbine quasi-adiabatique qui laisse l’eau retourner jusqu’à 0,5 bar en perdant de l’énergie sous forme
de travail ;
• Un condenseur qui refroidit l’eau à pression
constante (0,5 bar) jusqu’à son retour dans la pompe.
Nous acceptons les hypothèses suivantes :
• À la sortie de la turbine, la vapeur est
1 à température
de 110
◦ C.
• La compression dans la pompe est réversible, et la
masse volumique de l’eau ne varie pas lorsqu’elle la
traverse.
1. Tracez le cycle suivi par l’eau sur un diagramme pression-volume et sur un diagramme
température-volume, de façon qualitative.
2. Quelle est l’efficacité du moteur ?
3. Que se passerait-il si, pour éliminer les rejets de
chaleur, on supprimait le condenseur, en connectant l’entrée de la pompe directement sur la sortie
de la turbine ?
6.10 Réfrigération industrielle
Une chaîne de supermarchés fait appel à votre expertise
pour évaluer la rentabilité d’un ambitieux projet de
renouvellement d’une flotte de réfrigérateurs.
Tous les supermarchés de l’entreprise utilisent le même
modèle de réfrigérateur. Son efficacité est de 100 %.
Vous vous déplacez jusqu’à un supermarché représentatif, ce qui vous permet d’effectuer des mesures et de
quantifier les transferts thermiques du bâtiment. Vous
mettez en évidence que :
• La puissance absorbée sous forme de chaleur par
la chambre froide des réfrigérateurs, moyennée sur
l’année, est de 80 kW.
• L’hiver, le bâtiment perd de la chaleur avec une puissance moyenne de 400 kW. Il est réchauffé avec une
batterie de pompes à chaleur de cop 4.
• L’été, le bâtiment absorbe de la chaleur avec une
puissance moyenne de 160 kW. Il est refroidi avec
une batterie de climatiseurs de cop 0,9.
• Pendant l’automne et le printemps, les besoins en
chauffage/refroidissement sont quasi-nuls.
1 Après le chapitre 8 (l’entropie) nous saurons prédire cette température de sortie.
L’entreprise envisage de remplacer toute sa flotte de
réfrigérateurs avec un modèle d’efficacité 220 %, ce qui
demande un investissement important. Elle compte
100 supermarchés au total, et paie l’électricité 0,15A C
par kW h en moyenne.
Quelle serait l’économie financière annuelle générée
par le changement de modèle de réfrigérateur ?
6.11 Fonctionnement d’un
climatiseur
Un climatiseur fonctionne selon le circuit schématisé
en figure 6.22. Le fluide utilisé dans le circuit est de
l’air
2 .
L’air à l’intérieur du circuit y tourne de façon continue.
Le compresseur et la turbine sont tous les deux adiabatiques et nous considérons qu’ils sont réversibles. Les
transferts de chaleur se font à pression constante.
Lorsqu’on met en route le climatiseur, la température extérieure et la température intérieure sont égales
à 30
◦ C.
Les températures de l’air à l’intérieur du circuit sont
í µí± A = 20
◦ C, í µí± B = 60
◦ C, et í µí± C = 40
◦ C.
1. Représentez l’évolution sur un diagramme
pression-volume, de façon qualitative et en y représentant les transferts de travail et de chaleur.
2. Quel est le rapport des pressions entre A et B ?
3. Quelle est la température de l’air du circuit en D ?
Figure 6.22 – Schéma de principe d’un climatiseur. L’air
du circuit du climatiseur tourne en continu (A → B →
C → D → A), sans jamais quitter la machine.
Schéma CC-by-sa Olivier Cleynen
2 On utilise souvent, en pratique, des fluides qui
se liquéfient et s’évaporent dans la machine ; mais le
principe de fonctionnement reste le même.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen