Chapitre V. MACHINES TRITHERMES Couplage moteur-générateur thermiques Machines quadrithermes Machines trithermes 114

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1 SOMMAIRE... V NOMENCLATURE... X Chapitre I. CONVERSION DE L'ÉNERGIE MACHINES THERMIQUES Rappels de thermodynamique Définitions et conventions Conservation de l'énergie en systèmes fermés ou ouverts Bilan enthalpique Qualité de l'énergie - Entropie Irréversibilités - Bilan entropique 7 2. Cycles thermodynamiques Convertisseurs thermomécaniques Rendements Cycles d'évolution Moteurs et générateurs thermomécaniques Rendements Convertisseurs de Carnot Convertisseurs à cycles quelconques Exergie Anergie Bilans exergétiques Définition de l'exergie Exergie et irréversibilités Transferts thermiques et flux exergétiques Bilans exergétiques et anergétiques Application à un convertisseur thermique 20 Chapitre II. CARACTÉRISTIQUES DES FLUIDES, ÉVOLUTIONS, TRANSFERTS Variation des fonctions d'état des fluides purs Expressions des échanges thermiques - Coefficients calorimétriques Expressions des variations des fonctions d'état Caractéristiques des fluides - Diagrammes Gaz parfait Gaz réels et vapeurs Liquides Fluides diphasiques Diagrammes complets Cas des mélanges 37

2 VI SOMMAIRE 3. Polytropes et autres évolutions particulières Évolutions polytropiques Énergies mises en œuvre - Rendements Laminage Compressions refroidies et étagées Transferts de masse, de chaleur et de quantité de mouvement Bilan de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie cinétique Bilan de l'énergie Énergie thermique Similitude et analyse dimensionnelle 50 Chapitre III. CYCLES DE BASE DES GÉNÉRATEURS À COMPRESSEURS Générateurs thermiques à gaz Générateurs à cycles de Stirling ou d'ericsson Générateurs à cycle de Joule Applications des cycles à gaz Générateurs à compression de vapeur Cycle de base cycle de Carnot Cycle modifié Cycle de Hirn inversé Cycle réel à surchauffe et sous-refroidissement Cycles particuliers Bilans énergétiques et exergétiques Cas d'une machine frigorifique Cas d'une pompe à chaleur 89 Chapitre IV. FLUIDES FRIGORIGÈNES, CALOPORTEURS, FRIGOPORTEURS Fluides frigorigènes Historique et contraintes environnementales Nomenclature Caractéristiques et critères de choix Fluides préconisés pour les divers domaines d'application Cas particuliers d'utilisation des mélanges zéotropiques et du CO Fluides caloporteurs Cas des pompes à chaleur (PAC) Cas des machines frigorifiques (MAF) Fluides frigoporteurs Cas des PAC Cas des MAF Critères de choix d'un frigoporteur 112

3 VII Chapitre V. MACHINES TRITHERMES Couplage moteur-générateur thermiques Machines quadrithermes Machines trithermes Machines trithermes mécaniques Machines trithermes à motocompresseur Machines à éjectocompression Machines à sorption Machines à absorption Machines à résorption Machine à adsorption 136 Chapitre VI. MACHINES ET PROCÉDÉS PARTICULIERS Thermofrigopompes Machines hybrides Machines à compression-absorption Machines à compression-éjection Recompression mécanique de vapeurs (RMV) Systèmes basés sur des phénomènes physiques particuliers Machines à gaz permanent Production de froid ou de chaleur par effet thermoélectrique 151 Chapitre VII. MACHINES CRYOGÉNIQUES Couplage de machines dithermes Machines à cycles polyétagés et fluide unique Machines en cascade Liquéfaction des gaz Méthode par refroidissement externe Méthode par compression et détente Couplage de machines en cascade et de machines de liquéfaction Effets thermomagnétiques Chapitre VIII. COMPRESSEURS FRIGORIFIQUES Compresseurs volumétriques Compresseurs alternatifs Compresseurs rotatifs Particularités de fonctionnement et dispositifs Compresseurs dynamiques Présentation générale - Utilisation 190

4 VIII SOMMAIRE 2.2. Principe de fonctionnement - Caractéristiques Fonctionnements semblables Application aux machines à froid 197 Chapitre IX. ÉCHANGEURS THERMIQUES Types d'échangeurs Échangeurs sans changement de phase Coefficient d'échange thermique global Coefficients de transfert convectif Pertes de charge Moyenne logarithmique des différences de température (DTLM) Efficacité d'un échangeur Nombre d'unités de transfert (NUT) Utilisation des diverses méthodes de calcul Échangeurs avec changements de phase Condensation Ébullition Condenseurs et évaporateurs Analyse exergétique des échangeurs Chapitre X. PROBLÈMES D'APPLICATIONS Générateurs thermiques à gaz Machine frigorifique à air à deux étages de compression : axial et centrifuge Pompe à chaleur à air à compresseur axial à quatre étages Générateurs thermiques à compression de vapeur Réfrigération d'une chambre froide par une machine frigorifique au R1234yf Machine frigorifique à ammoniac et compresseur à piston mono-étagé Pompe à chaleur au butane - Compresseur à piston Condenseur, évaporateur Machine frigorifique utilisant de l'isobutane et un compresseur centrifuge Machine frigorifique au CO 2 et compresseur à piston Machines multi-étagées à refroidissement intermédiaire Machine frigorifique à compresseur à pistons bi-étagé et refroidissement intermédiaire Climatiseur au CO2 Compresseur centrifuge bi-étagé à aubages normaux Machine frigorifique bi-étagée avec un échangeur intermédiaire à mélange Machine frigorifique à compression et détente étagées Compresseur à pistons Influence du volume mort Pompe à chaleur à compression et détente bi-étagées, échangeur intermédiaire à surface d échange et ballon séparateur de phases 252

5 IX 4. Comparaison générateur à gaz /générateur à vapeur Machine frigorifique au propane avec compresseur à pistons différentiels Pompe à chaleur à très haute température - Cycles à vapeur en cascades Machines trithermes Machine frigorifique à absorption Couple ammoniac-eau Transformateur thermique à absorption Couple eau/bromure de lithium Calcul d'un échangeur thermique Machine de climatisation solaire à éjectocompresseur Machines particulières Thermofrigopompe à deux étages avec un compresseur à vis Concentration d'un lactosérum par compression mécanique de vapeur (CMV) Réfrigération par effet Peltier Machines cryogéniques Machine de congélation à air - Compresseur centrifuge et turbine de détente Production frigorifique à -140 C à l'aide de trois machines en cascade Étude des irréversibilités composant par composant Liquéfaction Comparaison entre machine de Hampton et machine de Claude292 Chapitre XI. ANNEXES Tables thermodynamiques Figures et diagrammes Références bibliographiques INDEX

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