La compression : TPE

« EXPLOITATION DE LA COMPRESSION AU POINT DE VUE TECHNOLOGIQUE Le comportement décrit précédemment est un modèle théorique pour les gaz, et les idées générales exprimées ci­ dessus sont valables avec toutes sortes de gaz et liquides.

Il existe principalement deux champs technologiques utilisant la compression .

D'un côté, il y a les dispositifs technologiques qui reposent sur la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique.

C'est le champ des moteurs, nous verrons les moteurs à vapeur et les moteurs à explosion.

D'un autre côté, se trouve le domaine des machines qui utilisent la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique avec les climatiseurs et les réfrigérateurs.

Lorsque l'on étudie ces conversions d'énergie, il est intéressant de considérer leur efficacité .

Celle-ci est définie par énergie fournie / énergie obtenue.

Par exemple , l'énergie fournie est de l'énergie thermique pour les moteurs et l'énergie reçue est de l'énergie mécanique.

Ce rapport quantifie les pertes dues à la conversion d'énergie et est exprimé en pourcentage.

LES MACHINES À VAPEUR Le principe de la machine à vapeur est simple: de l'eau est chauffée , elle se transforme en vapeur et la vapeur ainsi produite continue de chauffer , causant une augmentation de pression.

La vapeur sous pression est ensuite utilisée pour actionner un dispositif mécanique qui va donc fournir de l'énergie mécanique.

On distingue principalement deux types de machines à vapeur : les machines à vapeur fondées sur le déplacement de pistons dans des cylindres -ce sont celles qui équipaient les trains et les usines au XIX' siècle -et d'un autre côté les machines fondées sur des turbines qui sont avant tout utilisées pour la génération d'énergie électrique -les centrales nucléaire s reposent par exemple sur ce principe.

Les machines à vapeur s 'articulent en trois parties principales : • une chaudière dans laquelle l'eau est vaporisée, c'est-à-dire transformée en vapeur; • un dispositif mécanique qui va convertir la vapeur sous pression en énergie mécanique .

Il peut s'agir d'un piston ou d'une turbine ; • un régulateur qui gère la quantité de vapeur sous pression entrant dans le dispositif de conversion de l'énergie, pour pouvoir réguler la puissance de l'énergie mécanique fournie par la machine.

la chaudière Il existe divers moyens pour faire chauffer l'eau.

Pendant longtemps, on a utilisé un combustible fossile, comme le charbon ou le pétrole, qui en brülant faisait chauffer les parois de la chaudière puis l'eau à l'intérieur.

Dans une centrale nucléaire, c'est un mécanisme de fission nucléaire qui provoque un dégagement de chaleur très important dans le cœur du réacteur.

Ce cœur est entouré d'eau qui va absorber la chaleur dégagée .

La vapeur sous pression est ensuite envoyée vers la partie suivante.

Système de piston Il peut s'agir d'un cylindre dans lequel se trouve un piston mobile.

On conçoit le système de sorte que la vapeur entre alternativement d'un côté puis de l'autre du piston, causant un mouvement de va et vient qui est ensuite utilisé avec une bielle, ce qui permet de transformer ce mouvement selon une droite en un mouvement de rotation .

Lorsque le piston va dans un sens , la vapeur de l'autre côté est évacuée via un dispositif adéquat.

La vapeur évacuée peut être à nouveau utilisée pour pousser un nouveau piston , on parle de moteurs à double expansion.

Turbine Dans ce cas, la vapeur sous pression correspond à un déplacement d'un gaz, analogue au vent.

Une turbine est un système de pales montées sur un axe pouvant tourner sur lui-même .

Cet axe, en tournant , peut servir à générer de l'électricité ou bien il peut entraîner une h élice, comme par exemple dans les bateaux à vapeurs propulsés par hélice.

Régulateur Le régulateur va gérer la quantité de vapeur entrant dans le système de piston ou poussant la turbine.

Le moyen le plus simple est d'ajuster l'ouverture par laquelle passe la vapeur , ce qui permet d'ajuster simp lement le débit.

Aujourd'hui , les machines à vapeur sont peu utilisées pour la propulsion car leur efficacité n'est pas très bonne (il existe des moyens de tirer plus d'énergie mécanique d'un litre de pétrole qu'en le faisant brüler pour chauffer de l'eau).

On retiendra que les systèmes de propulsion à vapeur les plus performants ne dépassent pas une efficacité supérieure à 25 %.

Cependant, les systèmes de turbines restent d'actualité et sont utilisés dans les centrales nucléaires et les navires à propulsion nucléaire, l'efficacité pour la production d'énergie électrique pure étant de l'ordre de 40% et la vapeur résiduelle peut être utilisée pour du chauffage, permettant d'atteindre une efficacité d'environ 90%.

LES MOTIURS À EXPLOSION Le principe du moteur à explosion est le suivant.

On enferme un gaz combustible , c'est-à-dire qui peut s'enflammer, dans un faible volume.

Il va être compressé rapidemen~ ce qui va causer l'élévation de sa température jusqu'à ce qu'il s'enflamme, donnant lieu à une explosion, cette explosion fait augmenter brusquement sa température et sa pression .

Comme la pression va être très supérieure à la pression atmosphérique, le piston va se déplacer dans le sens de l'augmentation du volume du système.

Une fois le gaz consumé , il est évacué et un nouveau volume de gaz est emprisonné donnant lieu à un nouveau cycle.

Là encore, on utilise un système de cylindres et de pistons, mais ici le gaz en entrant ne pousse pas le piston , au contraire il est aspiré par le mouvement du piston .

La compression est aussi assurée par le mouvement du piston jusqu 'à l'explosion , durant laquelle le gaz donne suffisamment d'élan au piston pour qu'il aspire puis compresse un autre volum e de gaz.

Dans le cas d'un moteur à plusieurs cylindres, ce sont les autres cylindres qui peuvent assurer le mouvement du cylindre.

Les moteurs à explosion permettent d'atteindre un niveau d'efficacité élevé de l'ordre de 40% sans turbo .

le turbocompresseur ou turbo Le principe du turbocompresseur est de forcer plus d'air à entrer dans un cylindre du moteur afin de permettre d'utiliser plus de combustible dans le moteur et d'augmenter la puissance du moteur.

Il faut faire attention à bien contrôler le turbo pour éviter une explosion trop forte qui détruirait le moteur .

Le turbocompresseur tire son énergie d'une turbine animée par les gaz d'échappements du moteur qui ont encore suffisamment de pression pour la faire tourner , énergie qui serait perdue sinon.

L'utilisation d 'un turbo permet d 'obtenir une amélioration de l'efficacité du moteur d'environ 20 % et aujourd'hui quasiment toutes les voitures diesel possèdent un turbocompresseur.

LES CLIMATISEURS ET RtFRIGhATEURS Un réfrigérateur repose sur le principe de la pompe à chaleur.

On dispose de deux sources de chaleur , une source chaude et une source froide (dans un système de réfrigération , on veut refroidir la source froide) .

On dispose aussi d'un fluide que l'on appelle fluide caloporteur, c'est-à-dire qui porte la chaleur, et qui va servir d'intermédiaire entre les sources de chaleurs, portant la chaleur de l'une vers l'autre.

Il est également indispensable de disposer d'un compresseur qui va permettre de faire varier la pression et donc la température du fluide caloporteur.

Ce que l'on cherche à réaliser est le transfert de chaleur de la source froide vers la source chaude.

Le sens naturel du transfert de chaleur est le sens contraire, du chaud vers le froid, c 'est pourquoi on va utiliser un compresseur pour forcer le sens du phénomène via le fluide caloporteur.

Le cycle se déroule en quatre temps et s'appelle cycle de Carnot.

On compresse le fluide caloporteur qui sort pour le faire passer de l'état gazeux à l'état liquid e, ce qui augmente sa température au delà de la température de la source chaude .

On le met ensuite au contact de la source chaude via un tube long situé à l'arrière du réfrigérateur qui s'appelle un radiateur.

Comme le fluide est plus chaud que la source chaude, il se refroidit jusqu 'à atteindre un température égale à celle de la source chaude.

Le fluide sous pression qui a une température égale à celle de la source chaude est détendu, c'est-à-dire qu'on lui permet de repasser de l'état liquide à l'état gazeux.

Cette détente le refroidit.

Mais c'est surtout l'énergie nécessaire au changement d'état qui va refroidir la source froide, c'est-à-dire l'enceinte que l'on veut réfrigérer.

On appelle cette énergie la chaleur latente de vaporisation .

Cette quantité de chaleur est extraite de la source froide pour porter le fluide calorifique à l'état de vapeur.

Le fluide calorifique est condensé puis compressé et un nouveau cycle peut commencer .

À chaque cycle, la source froide se refroidit et la source chaude se réchauffe, le prix de cet échange contre nature est l'énergie consommée par le compresseur.

La pompe à chaleur peut aussi être utilisée comme système de chauffage car si la source froide est refroidie , la source chaude, elle, est réchauffée.

Dans le cas d'un réfrigérateur , la source froide est l'intérieur du réfrigérateur et la source chaude est l'atmosphère .

Mais on peut aussi faire en sorte que la source froide soit située à l'extérieur d'une habitat ion, elle peut être par exemple une mare ou une rivière , alors on fixe comme source chaude l'intérieur de l'habitation et le système fonctionne comme chauffage, refroidissant l'extérieur et réchauffant l'intérieur.

L'efficacité de ce système de chauffage ou de refroidissement , c'est-à -dire la chaleur qu'il est capable de transférer d 'une source à l'autre pour une certaine consommation d'énergie (le plus souvent électrique ) est bonne et c'est pourquoi il peut être préféré à un chauffage par combustion lorsqu 'il est disponible.

POMPES ET COMPRESSEURS Les compresseurs sont indispensables pour faire varier la pression d'un fluide et sont utilisés dans les systrmesde climatisation aussi bien que dans les turbo­ compresseurs.

Voyons comment ils sont construits .

Notons que dans le cas d'un liquide , on préfère utiliser le terme de pompe à celui de comp resseur.

Il existe plusieurs types de technologies, mais elles peuvent être séparées en deux grandes catégories : les compresseurs qui fournissent une compression en continue , ils sont appelés compresseurs dynamiques (par exemple les turbocompresseurs) et ceux qui fonctionnent par intermittence en compressant un certain volume, ils sont appelés compresseurs à déplacement positif.

Compresseurs dynamiques Les compresseurs dynamiques doivent en permanence compresser le fluid e, pour cela ils utilisent des tubes dont la section est de plus en plus étroite.

Dans ces tubes se trouvent des hélices qui forcent le fluide à circuler à une certaine vitesse.

Le fluide est alors entraîné rapidement à travers un tube dont la section diminue rapidement , provoquant sa compression.

On peut voir les ouvertures de ces tubes de compression à l'avant des voitures dotées de turbocompresseurs.

Compresseur à déplacement positif Ces compresseurs sont souvent fondés sur un système de pistons et cylindres.

Le fluide est enfermé dans un volume puis compressé mécaniquement et ensuite enfermé dans un récipient qui va le garder à haute pression.

Les bouteilles d'air comprimé peuvent être remplies ainsi .

Le piston qui produit la compression mécanique est alimenté lui-même par un moteur électrique ou à explosion .

Les pompes sont séparées selon les mêmes catégories , mais les liquides étant peu compressibles d'une manière générale, l'aug mentation de la pression d 'un liquide est souvent liée à son déplacement.

Par exemple, une pompe est nécessaire pour faire monter de l'eau dans une colonne verticale.

En effet, la pression de l'eau augmente d'environ une fois la pression de l'atmosphère par mètre de hauteur, en augmentant la pression de l'eau au sommet de la colonne, l'eau est aspirée vers le haut afin de rétablir l'équ ilibre de la pression.. »