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Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir Juin 2015 Energétique 1 EXAMEN DE THER

Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir Juin 2015 Energétique 1 EXAMEN DE THERMODYNAMIQUE DE L’INGÉNIEUR (SESSION PRINCIPALE) Documents non autorisés Durée 2H00 Préparé par Kh. Mejbri Cycle combiné frigorifique/moteur au CO2 Pour promouvoir la valorisation des rejets thermiques à hautes températures, des installations frigorifiques opérant selon un cycle combiné frigorifique/moteur utilisant le CO2 comme fluide de travail peuvent être exploitées à cet effet. Ce type d’installation est conçu pour des applications en automobile et est actionnée aux rejets thermiques disponibles sous forme des fumées d’échappement du moteur diesel. On se propose d’effectuer une analyse préliminaire, en régime établi, du fonctionnement d’un climatiseur servant au conditionnement d’air d’un bus de transport et opérant selon le cycle en question, voir figure ci-jointe. L’installation est composée d’un compresseur, un réchauffeur à gaz, une turbine, un refroidisseur à gaz, un détendeur, un évaporateur, et deux récupérateurs thermiques (échangeurs de chaleur internes). Compresseur :  Compression adiabatique bi-étagée du CO2.  Premier étage de compression de P1 = 40 bar à P2 = 150 bar.  2ème étage de compression de P 3 = 150 bar à P4 = 350 bar.  Rendement isentropique des deux étages ηC = 0.80.  Refroidissement intermédiaire jusqu’à T3 = 50°C. Turbine :  Détente adiabatique du CO2 de P6 = 350 bar à P7 = 150 bar.  Rendement isentropique de l’expansion ηTb = 0.85. Réchauffeur à gaz :  Chauffage isobare du CO2 jusqu’à T6 = 507°C.  Chauffage réalisé à l’aide des fumées chaude s’échappant du moteur diesel. Entrée/sortie des fumées au réchauffeur : Tf,e = 600°C/Tf,s = 400°C. 1 Refroidisseur à gaz :  Refroidissement isobare du CO2 jusqu’à T9 = 50°C.  Air de refroidissement à T0 = 35°C. Détendeur :  Détente isenthalpique de Joule-Thomson de P10 = 150 bar à P11 = 40 bar. Évaporateur :  L’évaporateur sert au conditionnement d’air de l’espace interne du bus.  Le CO2 s’évapore à PE = 40 bar et TE = 5.3°C.  Surchauffe commandé à la sortie de l’évaporateur : 5°C.  Puissance frigorifique : ˙ Q E = 10 kW.  L’air humide extérieur à T0 = 35°C et φ0 = 40% est refroidi dans l’évaporateur jusqu’à Ts = 15°C, et ensuite soufflé à travers des grilles dans le bus. Récupérateurs thermiques 1 et 2 :  Les deux récupérateurs de chaleur sont caractérisés par des efficacités thermiques : ER1=T5−T 4 T7−T 4 =0.8 ER2=T1−T12 T 9−T12 =0.8 Étude à effectuer A. Analyse énergétique de l’installation (26/40) N.B. : Les résultats de cette partie sont à résumer dans le tableau 1. Les questions 1 et 2 doivent être résolues simultanément. 1. Représenter le cycle thermodynamique de la machine sur le diagramme enthalpique (P‒H) ci-joint. 2. Déterminer les propriétés thermodynamiques du CO2 aux différents sommets du cycle. 3. Tracer l’allure des profils de température dans le réchauffeur et l’évaporateur. 4. Déterminer le débit massique du CO2 en circulation dans l’installation, ˙ mCO2. 5. Calculer les puissances thermiques échangées avec l’extérieur : ˙ QCh, ˙ Q0 et ˙ Q HX0. 2 6. Calculer les puissances mécaniques de compression ˙ W C 1 et ˙ W C 2, et de détente ˙ W Tb. 7. A partir du traçage sur le diagramme (P-H), identifier les deux cycles combinés de l’installation et indiquer leurs types. 8. Déterminer le rendement thermodynamique du cycle moteur et le COP du cycle frigorifique. 9. Déterminer la puissance mécanique nette à apporter de l’extérieur ˙ W C , ext et le COP global du climatiseur. Discuter et commenter. 10. Peut-on faire fonctionner ce cycle sans apport extérieur de travail mécanique ? si oui, comment procède-t-on ? B. Traitement de l’air humide (08/40) N.B. : Les résultats de cette partie sont à résumer dans le tableau 2. 10. Que représente l’évaporateur dans le processus de traitement de l’air ? 11. Tracer l’opération de traitement subit par l’air dans l’évaporateur sur le diagramme d’air humide ci-joint. 12. Caractériser l’air humide aux points E (extérieur) et S (soufflage). 13. Déterminer le débit massique d’air soufflé à travers l’évaporateur, ˙ m AS. 14. Déterminer le débit massique du condensat dans l’évaporateur, ˙ mcond. C. Analyse exergétique du climatiseur (06/40) N.B. : Les résultats de cette partie sont à résumer dans le tableau 3. Cette analyse exergétique de l’installation frigorifique est à réaliser en se basant sur les données et les résultats de la partie A. 15. Représenter à l’aide d’un schéma simplifié les échanges d’énergie, d’entropie et d’exergie entre le système et le milieu extérieur en identifiant les réservoirs thermiques en contact avec le système et leurs températures. 16. Déterminer la création d’entropie dans le système,˙ Scrée, et l’exergie détruite, ˙ I. 17. Déterminer le rendement exergétique de l’installation. Commenter. 3 Figure 1. Schéma de principe d’un climatiseur fonctionnant selon un cycle combiné frigorifique/moteur au CO2. 4 Tableau 1. Résumé des résultats de la partie A. Point P (bar) T (K) H (kJ/kg) 1 2s 2 3 4s 4 5 6 7s 7 8 9 10 11 12 ˙ mCO2 ˙ QC h ˙ Q0 ˙ Q HX0 ˙ W C 1 ˙ W C 2 ˙ W Tb 5 moteur COPfrig ˙ W C , ext COPglob Tableau 2. Résumé des résultats de la partie B. Température de la batterie Froide TBF = …………………………..°C Point T (°C) φ (%) h (kJ/kg.as) w (g.vap/kg.as) E S Puissance thermique BF ˙ QBF=¿ ………………………….. kW Débit massique d’air soufflé ˙ m AS=¿ ……………............ kg.as/h Débit massique du condensat ˙ mcond=¿…………........... kg eau/h Tableau 3. Résumé des résultats de la partie C. Création d’entropie ˙ Scrée=¿ ………........................ W/K Exergie détruite ˙ I=¿ ……….......................... kW 6 Exergie fournie Exfournie = ……….................... kW Exergie récupérée Exrécup = ………..................... kW Rendement exergétique ηEx = ………………………..% 7 8 uploads/s3/examen-thermodynamique-appliquee-2015-principale.pdf