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th5 ddd essentiel machines thermiques

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Résumé de cours – TH5
TH 5 – Machines thermiques – 1/2
Objectif :
Comprendre le fonctionnement des Machines Thermiques (Moteurs / Réfrigérateurs / Clim / PAC / …)
I. Machines Dithermes
TC
Principe de Carnot :
QC
>0
Besoin de 2 sources à des Températures
différentes pour générer un travail
=> Prélèvement à la source chaude
=> Restitution à la source froide (Pertes)
Diagramme de Raveau :
−T C Q
ir r
QC ≤
1. M OTEUR T HERMIQUE
W<0
QF < 0
TF
1
(b)
(a)
Moteur
QC
F
2
W = −QC − Q F ≤ 0 ⇒ QC ≥ −Q F
=> (b) Zone motrice :
Σ
QF < 0
TF
rév
QC > 0
W<0
 Premier Principe : W + Q C + Q F = 0

Q C Q F irr

:
+
≤0
Inégalité
de
Clausius

TC T F rév

=> (a) Zone interdite :
QC > 0

QF < 0

 QC > QF

W = −QC − QF < 0
Transfert
d’énergie
QF
TC
Récepteur
QC > 0
Σ
Efficacité Thermo :
W<0
QF < 0
3
4
énergie utile
e=
énergie conso
TF
=> Génère un travail à partir de chaleur
2 . E CHANGEUR DE C HALEUR
QC > 0

QF < 0
W>0

 QC < QF
W = −Q − Q > 0
C
F

3 . C HAUFFAGE
TC
TC
QC > 0
4 . R EFRIGERATEUR /
C LIM / PAC
W>0
QF < 0
Σ
QF > 0
=> Sans
Intérêt
TF
=> Accélère l’échange naturel de chaleur
TF
QC < 0
 QC < 0
W>0
Q > 0
 F

QF > 0
 QC > Q F
W = − Q − Q > 0
C
F

QC < 0
Σ
TC
Σ
TF
=> Inverse le transfert naturel de chaleur
II. Moteurs Thermiques

énergie utile W
−W
=
=
= Rendement = η
e =
énergie
conso
Q
QC

C
On a :
0 ≤η ≤ 1

Efficacité Thermo
Thermo :
Maximum :
⇒ e moteur =
Moteur de CARNOT :
−W
QC
=
QC + Q F
Q irr T
∆T
=1+ F ≤ 1− F =
=
rév
QC
QC
TC TC
⇒ eCARNOT = 1 −
REVERSIBLE => 2 ISOT + 2 ISOS = Efficacité Maximale Atteignable = Référence
P
C
IsoT
IsoS
T
C
D
IsoT
B
A
V
D
IsoS
IsoS
IsoS
B
IsoT
IsoT
A
S
TF
TC
Résumé de cours – TH5
TH 5 – Machines thermiques – 2/2
Exemple de Cycles :
BEAU DE ROCHAS
(2 temps – 4 temps)
P
DIESEL
C
QC
IsoV
Ou avec
IsoV
P
Détente
Q=0
QF
2. Compression
1. Admission
B
D
IsoS
3. Explosion
A
QC
IsoP
IsoS
A
D
IsoT
IsoV
V
QC
B
IsoV
A
⇒ e =η =1+
Q BC
IsoP
C
IsoS
IsoS
A
D
IsoP
V
- QC = QBC + QCD = Contact
avec la Source Chaude
- QF = QAB + QDA = Contact
avec la Source Froide
- QC = QBC = Explosion
- QF = QDA = Echappement
=> Auto-Inflammation…
Q
−W
⇒ e =η =
= 1 + DA
Q BC
QC
IsoT
B
IsoV
QF
IsoV
V
P
C
Q=0
D
IsoS
- QC = QBC = Explosion
- QF = QDA = Echappement
- W = Wcycle…
Q
−W
⇒ e =η =
= 1 + DA
QC
C
BRAYTON – JOULE
(Moteur à réaction)
(Clim / PAC / Frigo)
P
QC
IsoS
B
STIRLING
(Combustion
ustion Externe)
(Comb
QF
V
- QC = QBC = Explosion
- QF = QDA = Evacuation
- W = Wcycle…
Q DA + Q AB
Q BC + QCD
⇒e =η =
−W
QC
= 1+
QDA
QBC
III. Réfrigérateurs, Climatisation et Pompes à Chaleur
W>0
Fonctionnement :
=> Même transfert d’énergie – Inversion du sens naturel
=> Mais un objectif différent
- Réfri / Clim = Refroidir la Source Froide
- PAC = Réchauffer la Source Chaudde
REFRIGERATEUR
QC < 0
QF > 0
Energie
POMPE A CHALEUR
=> PAC
W>0
W>0
(= Climatisation)
QF > 0
Σ
TF
Enceinte à
refroidir
⇒ e réfri =
QF > 0
QC < 0
QC < 0
Σ
TF
TC
Extérieur
(Air Ambiant)
Extérieur
(Air Ambiant)
Q
Q
utile
= F = F
absorbé W W
⇒ e PAC =
TC
Local à
réchauffer
Q
−QC
utile
= C =
absorbé W
W
Meilleur Machine :
e réfri =
QF
QF
=
=
W
− (Q C + Q F )
⇒ eréfri =
QF
W
Comment ?
1
irr
1
Q
−1 − C
QF
rév
T
−1 + C
TF
irr
≤ eréfri max =
rév
≤
e PAC =
TF
T
= F
TC −TF ∆T
−Q C
W
e PAC =
=
QC
W
−Q C
=
−Q C − Q F
irr
1
Q
1+ F
QC
≤ e PAC max =
rév
TC
irr
1
≤
rév
TC −T F
1−
=
Comment Prélever de la chaleur à la source froide, pour la restituer à la source chaude ?
=> Compression / Détente d’un fluide caloporteur (agent thermique) au bon moment…
T
QC < 0
TC
TF
QC < 0
Prélèvement
source froide
Réchauffage
source chaude
T du fluide
QF > 0
Détente
Compression
W>0
TF
TC
TC
∆T
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