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UNIVERSITE DE LIEGE Faculté des Sciences Appliquées SYST 016 ANALYSE EXERGETIQU

UNIVERSITE DE LIEGE Faculté des Sciences Appliquées SYST 016 ANALYSE EXERGETIQUE DES SYSTEMES INDUSTRIELS Georges HEYEN Maître de conférence Edition 2000 Contact : G. Heyen L.A.S.S.C. Institut de Chimie Sart Tilman B6 Tél : 04 3663521 Fax : 04 3663525 Email : G.Heyen@ulg.ac.be SYST016 ANALYSE EXERGÉTIQUE DES SYSTÈMES INDUSTRIELS 13/10/00 Chapitre I RAPPELS - DEFINITION DE L’EXERGIE I.1 INTRODUCTION Le cours "Analyse exergétique des systèmes industriels" s'adresse aux étudiants électro mécaniciens de l'orientation Energétique. Il vise à familiariser les étudiants avec le concept d'exergie, à proposer une méthode d'élaboration de bilans exergétique et à illustrer l'impact de diverse technologies sur le rendement exergétique des systèmes de transformation d'énergie. Même si la plupart des exemples sont tirés des systèmes de transformation d'énergie liés à la production de chaleur et de travail, le cours s'applique également aux systèmes sujet à des réactions chimiques (réacteurs, et en particulier combustion) ou à des changements de composition (distillation). A titre d'exemples, on illustrera l'application de l'analyse exergétique aux cycles de réfrigération complexes (liquéfaction d'azote), à la préparation de gaz de synthèse pour la fabrication d'ammoniac et à un cycle de centrale TGV (turbines à gaz couplées à un cycle à vapeur à deux niveaux de pression). Les présentes notes de cours sont basées sur une édition précédente qui reprenait les matières enseignées par M. E. Buchet, Chargé de cours à la Faculté des Sciences Appliquées. Nous tenons à remercier M. Buchet pour l'aide qu'il nous a fournie lorsque le présent cours nous a été confié en suppléance, et pour son aimable autorisation à réutiliser une partie de ses textes. Nous avons pu, en tant qu'étudiant, apprécier les talents pédagogiques et le dévouement de M. Buchet, qui a consacré une part importante de sa carrière scientifique au développement et à la promotion de l'analyse exergétique des systèmes thermiques. Nous espérons pouvoir, par ce cours, continuer à éveiller l'intérêt de nos étudiants pour une matière quelquefois ingrate à maîtriser, mais riche par ses possibilités de progrès qu'elle met en évidences. Georges Heyen, avril 1996 SYST016 ANALYSE EXERGÉTIQUE DES SYSTÈMES INDUSTRIELS 13/10/00 Chapitre I RAPPELS - DEFINITION DE L’EXERGIE I.2 BILANS ET RENDEMENTS L'art de l'ingénieur vise à améliorer le rendement des procédés qu'il met en oeuvre, c'est à dire à tirer un maximum de profits d'un minimum de ressources. L'application de ce postulat implique que l'ingénieur dispose de critère lui permettant de comparer les qualités respectives de différentes solutions technologiques, ce qui implique l'analyse du fonctionnement de divers schémas opératoires et la comparaison quantitative de leurs produits et de leurs consommations. Les procédés peuvent se comparer sous divers aspects, qui nécessitent l'établissement de divers types de bilans mettant en balances les ressources et produits, les consommations et les productions de divers types. C'est ainsi que l'on peut dresser des bilans de matière, et dire d'une centrale thermo-électrique qu'elle consomme 495 kg/s d'air et 15 kg/s de gaz naturel, et qu'elle rejette à l'atmosphère 510 kg/s de fumées contenant 75,9 % de N2, 13,9 % de O2, 3,2 % de CO2 et 7 % de H 2O. Comme on n'observe aucune perte de matière, on peut dire que le rendement de conversion matérielle est de 100 %. Pour la même centrale, le bilan d'énergie basé sur la première loi de la thermodynamique nous indiquera que le combustible apporte 812 MW, dont 1,1 % se retrouvent dans les fumées, 41 % vont réchauffer les eaux du condenseur et 53,9 % sont convertis en électricité et 4 % correspondent à diverses pertes de transformation. Considérant que le produit utile de la transformation est l'électricité, on pourra alors affirmer que le rendement énergétique de l'opération est de 53,9 %, alors que l'application de la première loi de la thermodynamique nous indique que l'énergie totale est conservée, puisque toute l'énergie mise en oeuvre dans le combustible se retrouve dans les effluents de la centrale et sous forme d'électricité. L'économiste s'intéressera à un compte d'exploitation, faisant intervenir les recettes provenant de la vente de l'électricité produite, et les coûts des matières premières (combustible principalement), de la main d'oeuvre, des frais d'entretien, des frais généraux associés à la gestion du site de production, et enfin de l'amortissement du capital investi. Enfin il peut être opportun de dresser un bilan écologique, qui relève les nuisances associées à une activité, ainsi que les moyens mis en oeuvre pour les réduire (rejets thermiques, émissions de CO2, NOx, hydrocarbures imbrûlés, résidus solides (suies, cendres), bruit, ...), ou un bilan social, qui prend en compte les emplois créés. La plupart des bilans évoqués ci-dessus permettent d'appréhender la réalité d'une activité industrielle, ou tout au moins une de ses facettes. Il présentent toutefois l'inconvénient de se limiter à un état des lieux, à une analyse de la situation. S'il permettent la comparaison relative de plusieurs sites de production, ils ne permettent pas de classement absolu, de comparaison à une norme de qualité correspondant à un système idéal. L'analyse exergétique propose ce référentiel, et permet de comparer des système de transformation d'énergie entre eux, et par rapport à des systèmes idéalisés, permettant de transformer l'énergique thermique en travail de manière réversible, et sans production d'entropie. Par SYST016 ANALYSE EXERGÉTIQUE DES SYSTÈMES INDUSTRIELS 13/10/00 Chapitre I RAPPELS - DEFINITION DE L’EXERGIE I.3 évaluation du rendement exergétique d'un procédé, on peut alors le comparer au meilleur des cycles bithermes : le cycle de Carnot. En effet, le calcul du rendement thermique basé sur la première loi de la thermodynamique (η=W/Q1 , rendement = travail moteur divisé par la quantité de chaleur fournie par la source chaude) présente deux inconvénients. Il privilégie arbitrairement le travail moteur, et ignore toute valorisation éventuelle de la chaleur disponible à la source froide. Il n'exprime pas un écart par rapport à un idéal (on sait qu'un rendement de 100% est impossible à atteindre, et que le maximum théorique dépend du rapport des températures des sources chaudes et froides, comme on le démontrera par après). L'EXERGIE ET SON EVALUATION Définitions L’exergie d’un système est une fonction thermodynamique qui exprime la capacité de ce système à produire du travail en raison de son déséquilibre avec l’ambiance dans laquelle il se trouve. On peut définir l’exergie d’une source d’énergie comme la quantité maximale de travail qu’il serait possible d’en retirer au moyen d’un cycle thermodynamique moteur, l’autre source étant en équilibre avec l’ambiance (état de référence à définir). On assimile l’ambiance à une source infinie, monotherme et isobare. Les énergies cinétique, potentielle, voire électrique, sont de l'exergie pure, car elles sont entièrement transformables en travail. Rappel sur les cycles thermodynamiques moteurs Les transformations réalisées dans les machines motrices appartiennent à des cycles thermodynamiques que le système évoluant décrit indéfiniment sous l’influence d’actions calorifiques. En raison de l’importance pratique du problème de production de travail moteur, nous examinerons de quelle manière ils peuvent être réalisés. Les cycles parcourus en sens inverse seront bien entendus des récepteurs. Cycles monothermes On dit qu’un système décrit un cycle monotherme lorsqu’il n’échange de la chaleur qu’avec des corps extérieurs (sources de chaleur) maintenus tous à une même température constante. On peut se représenter ces sources de chaleur isothermes comme des milieux constitués d’une très grande masse dont la température n’est pas influencée significativement par les échanges de chaleur envisagés (par exemple, l’air atmosphérique ou l’eau de la mer). SYST016 ANALYSE EXERGÉTIQUE DES SYSTÈMES INDUSTRIELS 13/10/00 Chapitre I RAPPELS - DEFINITION DE L’EXERGIE I.4 Représentons un tel cycle que nous admettons monotherme dans le diagramme (T,S). Les états a et b du système évoluant correspondent respectivement au minimum Sa et au maximum Sb de l’entropie. Ils partagent le cycle en deux transformations 1 et 2, et nous désignons par Q1 et Q2 les échanges calorifiques du milieu extérieur avec le système. Si Q1>0, l’évolution 1 se fait de a vers b, et le signe positif de Q1 implique que la température du milieu extérieur Te soit supérieure à toute température prise par le système au cours de la transformation 1. Il est dès lors impossible de revenir de l’état b vers l’état a. En effet, ou bien on laisse le système échanger de la chaleur avec le milieu à Te, et l’action calorifique reste positive, ou bien le retour de b vers a se déroule de manière adiabatique : dans les deux cas, l’entropie du système ne peut diminuer. On en déduit qu’un cycle monotherme direct avec Q1>0 n’est pas réalisable. Si Q2<0, l’évolution 2 peut s’effectuer de b vers a. Le signe négatif de Q2 implique que la température Te du milieu extérieur soit inférieure à toute température prise par le système au cours de la transformation 2. Il est possible de revenir de a vers b, soit par une transformation adiabatique (et la surface comprise entre la courbe (a,1,b), et sa projection sur l’axe OS représente alors Wf1 le travail effectué par les forces de frottement), soit en laissant le système échanger de la chaleur avec l’extérieur (et alors Te restant constant implique Q1 <0, tout en vérifiant Q1+ Wf1 >0). Il est donc possible uploads/Industriel/ analyse-exergetique-des-systeme-industriels.pdf