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GÉNIE ÉNERGÉTIQUE Clima+confort & www.climaplusconfort.fr L’offre d’information

GÉNIE ÉNERGÉTIQUE Clima+confort & www.climaplusconfort.fr L’offre d’information bimédia des professionnels du génie climatique Pour vous abonner, rendez-vous sur www.climaplusconfort.fr/Boutique ou contactez-nous au 01 53 26 48 00 8 numéros par an • Des enquêtes marchés pour une approche ciblée auprès de vos clients. • Des dossiers complets sur les meilleures solutions pour améliorer l’efﬁcacité énergétique des bâtiments. • L’actualité marquante de la profession détaillée et analysée : réglementation, formation, etc... À tout moment sur www.climaplusconfort.fr avec vos codes d’accès • Un accès aux ressources métiers en illimité à des documents de référence (textes législatifs, bases documentaires multimédia, schémas techniques, …). • Des dossiers d’experts délivrés par des professionnels reconnus : des cas concrets, des retours d’expériences, etc. • Tous les articles archivés de Clima+confort. • Une base de données produits et services et un annuaire Pro. Michel Feidt GÉNIE ÉNERGÉTIQUE Du dimensionnement des composants au pilotage des systèmes © Dunod, Paris, 2014 ISBN 978-2-10-070545-0 Illustration de couverture : © JustContributor – Fotolia.com © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. Table des matières AVANT-PROPOS XI PARTIE 1 INTRODUCTION À L’ÉNERGÉTIQUE CHAPITRE 1 • LE CONTEXTE ÉNERGÉTIQUE 3 1.1 Définition de l’énergétique 3 1.2 État des lieux de la situation énergétique 3 1.3 Principaux usages de l’énergie 7 1.4 Développement durable 9 CHAPITRE 2 • LES PERSPECTIVES ÉNERGÉTIQUES 13 2.1 Une abondante littérature 13 2.2 Évolution probable de la demande et de l’offre 13 2.3 Les orientations technologiques 16 2.4 Conclusions 22 CHAPITRE 3 • L’ÉNERGIE 25 3.1 Les formes de l’énergie 25 3.2 La conversion d’énergie 29 VI Table des matières 3.3 Transfert d’énergie 33 3.4 Stockage et transport d’énergie 35 3.5 Retour sur les usages de l’énergie 37 3.6 Conclusions 38 PARTIE 2 LES OUTILS DE L’ÉNERGÉTIQUE CHAPITRE 4 • LES BASES THERMODYNAMIQUESÞ: LA THERMOSTATIQUE 43 4.1 Introduction 43 4.2 Notions essentielles de thermostatique 45 4.3 Conclusion 69 CHAPITRE 5 • À LA RENCONTRE DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES ET DE LA THERMOCINÉTIQUEÞ: LE PRINCIPE DE CONSERVATION ÉTENDU 71 5.1 Introductionþ: extension de la notion de transformation thermodynamique 71 5.2 Conservation de la matière 73 5.3 Conservation de quantités mécaniques 81 5.4 Conservation de l’énergie 84 5.5 Conclusion 90 CHAPITRE 6 • DONNÉES THERMOPHYSIQUES 92 6.1 Retour sur la thermodynamique analytique 92 6.2 Fonctions d’état des fluides réels 95 6.3 Les données thermodynamiques 98 6.4 Disponibilités des données thermophysiques 118 6.5 Quelques exemples de données pour les corps courants 126 6.6 Conclusion 136 CHAPITRE 7 • DÉGRADATIONS D’ÉNERGIEÞ– PRINCIPE D’ÉVOLUTION 137 7.1 Introduction 137 7.2 Équilibre et réversibilité 138 7.3 Transformation réelle et irréversibilité 140 7.4 Efficacité d’une machine ou d’un procédé 147 7.5 Bilans entropiques et exergétiques 152 7.6 Conclusions 156 Table des matières VII © Dunod –Toute reproduction non autorisée est un délit. CHAPITRE 8 • THERMODYNAMIQUE DES PHÉNOMÈNES IRRÉVERSIBLES LINÉARISÉE 158 8.1 Introduction 158 8.2 Les irréversibilités et le flux de création d’entropie 158 8.3 Relations flux-force et entropie créée 166 8.4 Expression des flux en fonction des forces – approximation linéaire 169 8.5 États stationnaires de non-équilibre 172 8.6 Conclusion 176 CHAPITRE 9 • ÉCONOMIE ET ENVIRONNEMENT 178 9.1 Introductionþ: l’analyse de projet 178 9.2 Les bases de l’analyse économique 182 9.3 Thermoéconomie et prolongements 193 9.4 Études de cas sur l’optimisation thermoéconomique 215 CHAPITRE 10 • MODÈLES ET SIMULATION 218 10.1 Introduction 218 10.2 Modélisation 221 10.3 Simulation de systèmes et procédés 250 10.4 Quelques logiciels de simulation 255 CHAPITRE 11 • THÉORIE DE LA VALEUR ET OPTIMISATION 260 11.1 De la simulation à l’optimisation 260 11.2 Théorie de la valeurþ; critère d’optimisation 265 11.3 L’optimisation 283 PARTIE 3 LES APPLICATIONS DE L’ÉNERGÉTIQUE CHAPITRE 12 • ISOLATION – CONDUCTION 331 12.1 Introduction 331 12.2 Les bases du modèle de conduction thermique 334 12.3 Les mécanismes de la conductionþ: notions et conséquences 351 12.4 Des applications de la conduction 359 12.5 Étude de cas sur régime dynamique stationnaire d’un barreau en fission 371 12.6 Études de cas sur l’isolation thermique 373 VIII Table des matières CHAPITRE 13 • TRANSFERTS CONVECTIFS – ÉCHANGEURS DE CHALEUR 381 13.1 Introduction aux transferts couplés (chaleur-matière) 381 13.2 Convection et transferts 382 13.3 Échangeurs de chaleur 412 13.4 Échangeurs de chaleur latente 428 13.5 Optimisation d’échangeurs de chaleur 450 13.6 Études de cas sur les échangeurs de chaleur 465 13.7 Conclusion générale 469 CHAPITRE 14 • TRANSFERTS DE MATIÈRE (ET MACHINES) 472 14.1 Mécanique des fluides et transfert de matière 472 14.2 Turbomachines 480 14.3 Compression-détente 514 14.4 Physique du vide 527 14.5 Étude de cas sur l’optimisation d’un tube de Ranque 545 14.6 Conclusion 551 CHAPITRE 15 • MACHINES À CYCLES INVERSES 553 15.1 De la production de froid à la revalorisation de la chaleur 553 15.2 Les machines à compression mécanique de vapeur 567 15.3 Les machines thermiques 601 15.4 Autres machines 610 15.5 Très basses températures (TBT), la cryogénie 616 15.6 Conclusions 634 CHAPITRE 16 • COMBUSTION ET MOTEURS À COMBUSTION 637 16.1 Combustion et combustibles 637 16.2 Chaudières et fours 663 16.3 Moteurs à combustion interne alternatifs 668 16.4 Autres moteurs 696 CHAPITRE 17 • LA VAPEUR D’EAU 721 17.1 Introduction 721 17.2 Production et utilisation de la vapeur d’eau 721 17.3 L’air humide 742 17.4 Études de cas sur la vapeur d’eau et l’air humide 760 Table des matières IX © Dunod –Toute reproduction non autorisée est un délit. CHAPITRE 18 • CONVERSION ET STOCKAGE D’ÉNERGIE 768 18.1 Introduction 768 18.2 Énergie nucléaire 769 18.3 L’énergie solaire thermique 809 18.4 Autres conversions d’énergie 832 18.5 Stockage d’énergie 851 18.6 Conclusion 860 CHAPITRE 19 • L’INTÉGRATION DE SYSTÈMES ET PROCÉDÉS 861 19.1 Introduction 861 19.2 La cogénération 862 19.3 Intégration des systèmes et procédés énergétiques 872 19.4 Intégration et environnement 888 19.5 Conclusion 897 ANNEXE ANNEXE 1 • MÉCANIQUE GÉNÉRALE 899 A.I.1 Introduction 899 A.I.2 Cinématique du solide 899 A.I.3 Cinétique 901 ANNEXE 2 • MATHÉMATIQUE –ÞTRANSFORMATION DE LEGENDRE 903 A.II.1 Expression des équations de Navier-Stokes en systèmes de coordonnées cartésien, cylindrique, sphérique 903 A.II.2 Facteur intégrant 905 A.II.3 Transformation de Legendre 908 ANNEXE 3 • MÉCANIQUE DES FLUIDES 911 ANNEXE 4 • DONNÉES THERMOPHYSIQUES 913 INDEX 923 © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. Avant-propos Le présent ouvrage a pour objectif d’être une référence dans le domaine de l’énergé- tique, qui constitue un domaine clé pour l’avenir du monde. Cela se manifeste non seulement dans les diverses crises que nous avons connues durant les trente dernières années, mais aussi par la contrainte de protection de l’environnement de plus en plus forte. L’approche proposée s’appuie avant tout sur la physique (thermodynamique) et les sciences pour l’ingénieurþ; toutefois les aspects scientifiques et techniques sont prolongés par des aspects technologiques et surtout économiques, que l’ingénieur ne peut ignorer. L’écoconception et le développement durable sont abordés. D’un point de vue fondamental, un prolongement des connaissances actuelles de thermodynamique vers une «þthermodynamique optimale généraliséeþ» est abordéþ; cette conjecture suppose une relation forte entre le principe d’évolution (second principe de la thermodynamique), et l’optimisation adaptative rencontrée dans la Nature qui nous entoure, et que l’ingénieur cherche à reproduire dans ses réalisations. L’ouvrage comporte trois parties. La première partie situe la problématique de l’énergie, son passé, ses perspectives et les concepts essentiels. La deuxième partie est centrée sur les outils de l’énergétiqueþ; la thermodynamique, pluridisciplinaire par essence, y occupe une place centrale. Les couplages avec d’autres sciences (mécanique, chimie) y sont mis en exergue (toute forme d’énergie avec la chaleurþ: couplage thermoénergétique) mais plus particulièrement, vu son importance, le couplage thermomécanique. L’outil mathématique d’optimisation est largement développé aussi, puisqu’il permet d’aller de l’optimisation de conception à la gestion de systèmes instationnaires. La troisième partie traite de l’ensemble des XII Avant-propos applications de l’énergétiqueþ; elle sera utile aux praticiens, ingénieurs et techniciens du domaine de l’énergie-environnement. Sont privilégiésþ: – l’aspect méthodologique en insistant sur les modélisations globales ou filaires pour les systèmes thermomécaniques (les extensions 3 D et aux autres systèmes sont sans difficulté de principe)þ; – l’approche thermodynamique en dimensions finies, chère à l’auteur, montrant l’importance des échelles spatiales et temporelles entre autresþ; l’analyse entro- pique ou exergétique sont développées. De nombreux exemples sont relatifs aux échangeurs de chaleur dans les systèmes et procédés énergétiques, tout simplement parce que la thématique optimisation d’échangeurs en système est celle des travaux effectués dans le groupe de recherche, dont l’auteur est responsable. Le public étudiant qui reçoit les enseignements correspondants est largeþ: il va de la troisième année d’Université (L3) à la cinquième année (M2)þ; les formations correspondantes sont tant professionnalisantes qu’orientées vers la recherche. Le livre résulte de l’expérience de l’auteur sur le site de Nancy (IUT, faculté des sciences, écoles d’ingénieurs) mais aussi hors de France (Belgique, Espagne, Roumanie, États-Unis), et lors de contacts industriels nombreux. Sans les nombreux contacts de l’auteur, ce livre n’aurait pas cette ampleur. Que tous ceux qui s’y reconnaîtront un peu en soient remerciésþ; l’appartenance au CNRS (Programme Énergie), à la SFT (Société Française des Thermiciens), mais aussi à l’IIF (Institut International du Froid, section E2) ou a des réseaux européens dont le uploads/s1/ feuilletage-pdf 1 .pdf