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Dans le contexte du réchauffement climatique et de la transition énergétique, deux problématiques scientifiques et technologiques majeures s’imposent : le rafraîchissement des ambiances sans impact environnemental conséquent et la production efficace de chaleur sans combustion.
Les machines thermiques à cycle inverse (systèmes frigorifiques, pompes à chaleur et thermofrigopompes), fonctionnant à l’inverse du cycle moteur de conversion thermomécanique, ont un rôle primordial à jouer pour répondre à ces défis qui sont au coeur des enjeux énergétiques auxquels l’humanité va devoir se confronter dans les prochaines décennies.
Cet ouvrage propose un état de l’art scientifique et technique des machines thermiques à cycle inverse, dont le principe de fonctionnement est parfois ancien, mais dont l’analyse des performances et l’optimisation ont pu être délaissées. Il présente également un ensemble de technologies émergentes qui trouveront certainement leur place dans le panorama énergétique à venir.
1. Production de froid et de chaleur par machines à cycle inverse : état de l’art
2. Analyses entropique et exergétique appliquées aux cycles inverses
3. Thermodynamique et optimisation des machines à cycle inverse
4. Verrous scientifiques et technologiques des machines à compression thermique
5. Le froid magnétocalorique : principe et applications
6. Les systèmes à effets thermoélectriques comme alternative aux machines à cycle inverse
Jocelyn Bonjour
Professeur des universités à l’INSA Lyon, Jocelyn Bonjour enseigne la thermodynamique et son application aux systèmes de conversion d’énergie. Membre de l’Institut international du froid, ses travaux de recherche visent à améliorer l’efficacité des machines frigorifiques et des pompes à chaleur.
Chapitre 1
Production de froid et de chaleur par machines à cycle inverse : état de l’art (pages : 7-47)
Ce chapitre décrit le fonctionnement réel idéal des machines à cycle inverse (pompes à chaleur et machines frigorifiques). Différentes architectures de machines dithermes à compression de vapeur et de machines trithermes courantes (à absorption et à éjection) sont présentées. Les indicateurs de performances (COP, coefficient d'effet frigorifique, rendement second principe) sont également proposés.
Chapitre 2
Analyses entropique et exergétique appliquées aux cycles inverses (pages : 49-99)
Ce chapitre porte sur le fonctionnement réel idéal de machines à cycle inverse. Dans ce chapitre, les analyses entropique et exergétique sont présentées : elles permettent d’évaluer l'écart à l’idéalité (ou à la réversibilité) en choisissant judicieusement leurs hypothèses sous-jacentes. Elles offrent des pistes pour identifier et améliorer les composants les plus critiques des systèmes.
Chapitre 3
Thermodynamique et optimisation des machines à cycle inverse (pages : 101-129)
Partant d’une description des machines réceptrices selon la thermodynamique de l’équilibre, on développe le modèle de la thermodynamique en temps fini, pour aller vers des modèles selon la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF). Ainsi divers modèles de la littérature sont prolongés : machine frigorique de CARNOT, de CHAMBADAL et de CURZON-AHLBORN. D’autres extensions sont données en fin de chapitre.
Chapitre 4
Verrous scientifiques et technologiques des machines à compression thermique (pages : 131-183)
Ce chapitre aborde les éléments essentiels à la compréhension du fonctionnement et du comportement des machines à compression thermique, ainsi que les problématiques scientifiques et technologiques soulevées par celles-ci. Les éléments de dimensionnements des différents composants de ces machines sont abordés, et des éléments pour effectuer des choix parmi les options technologiques usuelles sont proposés.
Chapitre 5
Le froid magnétocalorique : principe et applications (pages : 185-224)
Ce chapitre porte sur la réfrigération magnétique, technologie émergente pour une réfrigération durable basée sur l'effet magnétocalorique. La première partie du chapitre développe la théorie de la réfrigération magnétique. Ensuite, un état de l’art des modèles est proposé. À la fin de ce chapitre les principaux prototypes magnétocaloriques, ainsi que les applications futures sont présentés.
Chapitre 6
Les systèmes à effets thermoélectriques comme alternative aux machines à cycle inverse (pages : 225-281)
Les systèmes basés sur les effets thermoélectriques permettent une conversion directe de l’énergie électrique en énergie thermique (et inversement). Les phénomènes physiques mis en jeu dans les matériaux semi-conducteurs et leur mise en œuvre sous forme de dispositifs thermoélectriques sont détaillés puis leurs performances sont discutées, en lien avec les applications visées.
