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Chapitre 9
9.3 Composants des installations à vapeur
Avant d’étudier la construction des cycles thermodynamiques à vapeur, nous
révisons brièvement le mode de fonctionnement des composants les plus
courants des centrales.
9.3.1 Calcul des puissances des composants
Tous les systèmes à vapeur utilisés aujourd’hui fonctionnent avec un débit
continu. En outre, la vapeur y subit des variations d’énergie cinétique et
potentielle qui sont très faibles au regard des transferts de chaleur et de
travail. Nous nous servirons donc exclusivement des notions abordées au
chapitre 3 (les systèmes ouverts) et nous pourrons relier les puissances en jeu
avec l’état de la vapeur grâce à la simple équation :
í µí± 1→2 + í µí±¤ 1→2 = Δℎ
(3/15)
pour les évolutions (réversibles ou non) en système ouvert en régime continu
( ̇
í µí± = cste.),
lorsque les variations d’énergie mécanique sont négligées.
Dans ce cas, nous nous souvenons de notre étude du chapitre 3 que, lorsque
l’évolution est réversible, le travail í µí±¤ A→B entre deux points A et B s’exprime
avec l’intégrale :
í µí±¤ A→B = ∫
B
A
í µí±£ dí µí±
(3/22)
en système ouvert,
et lorsque l’évolution est réversible.
Notons enfin que d’une façon générale, dans les équipements fonctionnant
en régime continu, nous choisissons de séparer dans l’espace les transferts
de chaleur et transferts de travail. Cela réduit grandement la complexité des
machines.
• L’apport ou l’extraction de chaleur se fait donc préférablement sans
transfert de travail, c’est-à-dire à pression constante (transformations
isobares). Idéalement, ces transferts se feront à température constante
(transformations isothermes).
• L’apport ou l’extraction de travail, nécessitant une variation de pression
et le mouvement de pièces mécaniques au sein du fluide, se fait donc
préférablement sans transfert de chaleur (transformations adiabatiques).
Idéalement, ces transferts se feront sans augmentation d’entropie (transformations isentropiques).
9.3.2 Compresseurs et pompes
La compression sans transfert de chaleur d’un fluide en régime continu
nécessite un transfert de travail :
̇
í µí± compression = ̇
í µí± (ℎ 2 − ℎ 1 )
(9/3)
La compression des mélanges liquide-vapeur est un exercice particulier. La
compression d’un gaz est déjà un défi majeur en mécanique des fluides, et
cette compression est rendue nettement plus difficile s’il est mélangé à du
liquide (c’est-à-dire qu’il est en mélange diphasique). Pour cette raison, en
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 9
9.3 Composants des installations à vapeur
Avant d’étudier la construction des cycles thermodynamiques à vapeur, nous
révisons brièvement le mode de fonctionnement des composants les plus
courants des centrales.
9.3.1 Calcul des puissances des composants
Tous les systèmes à vapeur utilisés aujourd’hui fonctionnent avec un débit
continu. En outre, la vapeur y subit des variations d’énergie cinétique et
potentielle qui sont très faibles au regard des transferts de chaleur et de
travail. Nous nous servirons donc exclusivement des notions abordées au
chapitre 3 (les systèmes ouverts) et nous pourrons relier les puissances en jeu
avec l’état de la vapeur grâce à la simple équation :
í µí± 1→2 + í µí±¤ 1→2 = Δℎ
(3/15)
pour les évolutions (réversibles ou non) en système ouvert en régime continu
( ̇
í µí± = cste.),
lorsque les variations d’énergie mécanique sont négligées.
Dans ce cas, nous nous souvenons de notre étude du chapitre 3 que, lorsque
l’évolution est réversible, le travail í µí±¤ A→B entre deux points A et B s’exprime
avec l’intégrale :
í µí±¤ A→B = ∫
B
A
í µí±£ dí µí±
(3/22)
en système ouvert,
et lorsque l’évolution est réversible.
Notons enfin que d’une façon générale, dans les équipements fonctionnant
en régime continu, nous choisissons de séparer dans l’espace les transferts
de chaleur et transferts de travail. Cela réduit grandement la complexité des
machines.
• L’apport ou l’extraction de chaleur se fait donc préférablement sans
transfert de travail, c’est-à-dire à pression constante (transformations
isobares). Idéalement, ces transferts se feront à température constante
(transformations isothermes).
• L’apport ou l’extraction de travail, nécessitant une variation de pression
et le mouvement de pièces mécaniques au sein du fluide, se fait donc
préférablement sans transfert de chaleur (transformations adiabatiques).
Idéalement, ces transferts se feront sans augmentation d’entropie (transformations isentropiques).
9.3.2 Compresseurs et pompes
La compression sans transfert de chaleur d’un fluide en régime continu
nécessite un transfert de travail :
̇
í µí± compression = ̇
í µí± (ℎ 2 − ℎ 1 )
(9/3)
La compression des mélanges liquide-vapeur est un exercice particulier. La
compression d’un gaz est déjà un défi majeur en mécanique des fluides, et
cette compression est rendue nettement plus difficile s’il est mélangé à du
liquide (c’est-à-dire qu’il est en mélange diphasique). Pour cette raison, en
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen