Unités d'ingénierie | Spirax Sarco (2023)

Multiples et sous-multiples

Abréviations spéciales utilisées dans les applications de mesure de débit de vapeur

Pour des raisons historiques, la norme internationale ISO 5167 (remplace BS 1042) qui fait référence au débitmètre, utilise les abréviations suivantes dans le tableau 2.1.4.

STP - Température et pression standard

Ce sont les conditions standard de mesure des propriétés de la matière. La température standard est le point de congélation de l'eau pure, 0 °C ou 273,16 °K. La pression standard est la pression exercée par une colonne de mercure (symbole Hg) de 760 mm de hauteur, souvent désignée 760 mm Hg. Cette pression est également appelée une atmosphère et est égale à 1,01325 x 106 dynes par centimètre carré, soit environ 14,7 livres par pouce carré. La densité (masse par volume) d'un gaz est généralement rapportée comme sa valeur à STP. Les propriétés qui ne peuvent pas être mesurées à STP sont mesurées dans d'autres conditions ; généralement les valeurs obtenues sont ensuite extrapolées mathématiquement à leurs valeurs atSTP

Symboles

Le tableau 2.1.5 montre les symboles et les unités typiques utilisés dans la boucle de vapeur et de condensat.

Indices utilisés avec les propriétés

Lors de l'utilisation de l'enthalpie, de l'entropie et de l'énergie interne, les indices indiqués ci-dessous sont utilisés pour identifier la phase, par exemple :

• Indice f = État fluide ou liquide, par exemple h_F: enthalpie liquide
• Indice fg = Changement d'état liquide en gaz, par exemple h_fg: enthalpie d'évaporation
• Indice g = Total, par exemple h_g: enthalpie totale

Notez que, par convention, la chaleur totale dans la vapeur surchauffée est signifiée par h.

Il est également usuel, par convention, de signifier les quantités d'échantillons en lettres majuscules, tandis que les quantités unitaires sont signifiées en lettres minuscules.

Par exemple:

Enthalpie totale dans un échantillon de vapeur surchauffée HkJ

Enthalpie spécifique de la vapeur surchauffée hkJ/kg

Température

L'échelle de température est utilisée comme indicateur d'équilibre thermique, en ce sens que deux systèmes en contact l'un avec l'autre de même valeur sont en équilibre thermique.

L'échelle Celsius (°C)

C'est l'échelle la plus couramment utilisée par l'ingénieur, car elle a une température nulle pratique (mais arbitraire), correspondant à la température à laquelle l'eau gèlera.

L'échelle absolue ou K (kelvin)

Cette échelle a les mêmes incréments que l'échelle Celsius, mais a un zéro correspondant à la température minimale possible lorsque tout mouvement moléculaire et atomique a cessé. Cette température est souvent appelée zéro absolu (0 K) et équivaut à -273,16°C.

Les deux échelles de température sont interchangeables, comme le montre la figure 2.1.1 et exprimées dans l'équation 2.1.1.

L'unité SI de température est le kelvin, qui est défini comme 1 ÷ 273,16 de la température thermodynamique de l'eau pure à son point triple (0,01 °C). Une explication du point triple est donnée dans le module 2.2.

La plupart des équations thermodynamiques exigent que la température soit exprimée en kelvin. Cependant, la différence de température, telle qu'elle est utilisée dans de nombreux calculs de transfert de chaleur, peut être exprimée en °C ou en K. Comme les deux échelles ont les mêmes incréments, une différence de température de 1 °C a la même valeur qu'une différence de température de 1 K.

Pression

L'unité SI de pression est le pascal (Pa), défini comme 1 newton de force par mètre carré (1 N/m²).
Comme Pa est une si petite unité, le kPa (1 kilonewton/m²) ou le MPa (1 méganewton/m²) ont tendance à être plus appropriés pour le génie vapeur.

Cependant, l'unité métrique la plus couramment utilisée pour la mesure de la pression dans l'ingénierie de la vapeur est probablement le bar. Ceci est égal à 10⁵N/m², et se rapproche de 1 atmosphère. Cette unité est utilisée tout au long de cette publication.

Les autres unités souvent utilisées incluent lb/in² (psi), kg/cm², atm, in H2O et mm Hg. Les facteurs de conversion sont facilement disponibles auprès de nombreuses sources.

Pression absolue (bara)

Il s'agit de la pression mesurée à partir de la référence d'un vide parfait, c'est-à-dire qu'un vide parfait a une pression de 0 bara.

Pression relative (barg)

C'est la pression mesurée à partir de la donnée de la pression atmosphérique. Bien qu'en réalité la pression atmosphérique dépende du climat et de la hauteur au-dessus du niveau de la mer, une valeur généralement acceptée de 1,013 25 bar a (1 atm) est souvent utilisée. C'est la pression moyenne exercée par l'air de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.

Pression manométrique = Pression absolue - Pression atmosphérique

Les pressions supérieures à la pression atmosphérique donneront toujours une pression manométrique positive. Inversement, un vide ou une pression négative est la pression inférieure à celle de l'atmosphère. Une pression de -1 bar g correspond à peu près à un vide parfait.

Pression différentielle

C'est simplement la différence entre deux pressions. Lors de la spécification d'une pression différentielle, il n'est pas nécessaire d'utiliser les suffixes « g » ou « a » pour désigner respectivement la pression relative ou la pression absolue, car le point de référence de la pression devient sans importance.

Ainsi, la différence entre deux pressions aura la même valeur que ces pressions soient mesurées en pression relative ou en pression absolue, tant que les deux pressions sont mesurées à partir de la même donnée.

Densité et volume spécifique

La densité (ρ) d'une substance peut être définie comme sa masse (m) par unité de volume (V). Le volume spécifique (vg) est le volume par unité de masse et est donc l'inverse de la densité. En fait, le terme « spécifique » est généralement utilisé pour désigner une propriété d'une unité de masse d'une substance (voir équation 2.1.2).

Les unités SI de masse volumique (ρ ) sont le kg/m³, à l'inverse, les unités de volume spécifique (vg)arem³/kg.

Un autre terme utilisé comme mesure de densité est la gravité spécifique. C'est un rapport entre la densité d'une substance (ρs) et la densité de l'eau pure (ρw) à température et pression standard (STP).

Cette condition de référence est généralement définie comme étant à pression atmosphérique et 0°C. Parfois, on dit qu'elle est à 20°C ou 25°C et on l'appelle température et pression normales (NTP).

La masse volumique de l'eau dans ces conditions est d'environ 1 000 kg/m³. Par conséquent, les substances dont la densité est supérieure à cette valeur auront une densité supérieure à 1, tandis que les substances dont la densité est inférieure à celle-ci auront une densité inférieure à 1.

Puisque la gravité spécifique est un rapport de deux densités, c'est une variable sans dimension et n'a pas d'unités. Par conséquent, dans ce cas, le terme spécifique n'indique pas qu'il s'agit d'une propriété d'une unité de masse d'une substance. La gravité spécifique est aussi parfois connue sous le nom de densité relative d'une substance.

Chaleur, travail et énergie

L'énergie est parfois décrite comme la capacité de faire un travail. Le transfert d'énergie au moyen d'un mouvement mécanique est appelé travail. L'unité SI de travail et d'énergie est le joule, défini comme 1 Nm.

La quantité de travail mécanique effectué peut être déterminée par une équation dérivée de la mécanique newtonienne :

Travail = ForcexDéplacement

Il peut également être décrit comme le produit de la pression appliquée et du volume déplacé :

Travail = Pression appliquée x Volume déplacé

Exemple2.1.1

Une pression appliquée de 1 Pa (ou 1 N/m²) déplace un volume de 1 m³. Combien de travail a été effectué ?

Travail effectué = 1 N/m² x 1 m³ = 1 N m (ou 1J)

Les avantages de l'utilisation des unités SI, comme dans l'exemple ci-dessus, sont que les unités de l'équation s'annulent en fait pour donner les unités du produit.

Les observations expérimentales de J. P. Joule ont établi qu'il existe une équivalence entre l'énergie mécanique (ou travail) et la chaleur. Il a découvert que la même quantité d'énergie était nécessaire pour produire la même élévation de température dans une masse d'eau spécifique, que l'énergie soit fournie sous forme de chauffage ou non.

L'énergie totale d'un système est composée de l'énergie interne, potentielle et cinétique. La température d'une substance est directement liée à son énergie interne (ug). L'énergie interne est associée au mouvement, à l'interaction et à la liaison des molécules au sein d'une substance. L'énergie externe d'une substance est associée à sa vitesse et à son emplacement, et est la somme de son énergie potentielle et cinétique.

Le transfert d'énergie résultant uniquement de la différence de température est appelé flux de chaleur. Le watt, qui est l'unité SI de puissance, peut être défini comme 1 J/s de flux thermique.

Les autres unités utilisées pour quantifier l'énergie thermique sont l'unité thermique britannique (Btu : la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 lb d'eau de 1 °F) et la kilocalorie (la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 kg d'eau de 1 °C).

Les facteurs de conversion sont facilement disponibles auprès de nombreuses sources.

Spécifiquenthalpie

C'est le terme donné à l'énergie totale, due à la fois à la pression et à la température, d'un fluide (tel que l'eau ou la vapeur) à un moment et à une condition donnés. Plus précisément, c'est la somme de l'énergie interne et du travail effectué par une pression appliquée (comme dans l'exemple 2.1.1).

L'unité de mesure de base est le joule (J). Comme un joule représente une très petite quantité d'énergie, il est courant d'utiliser des kilojoules (kJ = 1000joules).

L'enthalpie spécifique est une mesure de l'énergie totale d'une unité de masse, et ses unités sont généralement kJ/kg.

La capacité thermique spécifique

L'enthalpie d'un fluide est fonction de sa température et de sa pression. La dépendance à la température de l'enthalpie peut être trouvée en mesurant l'élévation de température provoquée par le flux de chaleur à pression constante. La capacité calorifique à pression constante cP est une mesure du changement d'enthalpie à une température particulière.

De même, l'énergie interne est fonction de la température et du volume spécifique. La capacité calorifique à volume constant cv, est une mesure de la variation de l'énergie interne à une température particulière et à volume constant.

Étant donné que les volumes spécifiques de solides et de liquides sont généralement plus petits, à moins que la pression ne soit extrêmement élevée, le travail effectué par une pression appliquée peut être négligé. Par conséquent, si l'enthalpie peut être représentée par la seule composante d'énergie interne, les capacités thermiques à volume constant et à pression constante peuvent être dites égales.

Donc, pour les solides et les liquides : c_P≈c_v

Une autre simplification pour les solides et les liquides suppose qu'ils sont incompressibles, de sorte que leur volume n'est fonction que de la température. Cela implique que pour les fluides incompressibles l'enthalpie et la capacité calorifique ne sont également que des fonctions de la température.

La capacité calorifique spécifique représente la quantité d'énergie nécessaire pour élever 1 kg de 1 °C et peut être considérée comme la capacité d'une substance à absorber la chaleur. Par conséquent, les unités SI de capacité thermique spécifique sont kJ/kg K (kJ/kg °C). L'eau a une grande capacité calorifique spécifique (4,19 kJ/kg °C) par rapport à de nombreux fluides, c'est pourquoi l'eau et la vapeur sont considérées comme de bons vecteurs de chaleur.

La quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever la température d'une substance peut être déterminée à partir de l'équation 2.1.4.

Cette équation montre que pour une masse de substance donnée, l'élévation de température est linéairement liée à la quantité de chaleur fournie, en supposant que la
la capacité thermique spécifique est constante sur cette plage de température.

Exemple2.1.2

Considérons une quantité d'eau d'un volume de 2 litres, portée d'une température de 20°C à 70°C.

A pression atmosphérique, la masse volumique de l'eau est d'environ 1 000 kg/m³. Comme il y a 1 000 litres dans 1 m³, la masse volumique peut être exprimée en 1 kg par litre (1 kg/l). La masse de l'eau est donc de 2 kg.

La capacité calorifique spécifique de l'eau peut être considérée comme étant de 4,19 kJ/kg °C sur une faible plage de température.

Donc : Q =2 kg x 4,19 kJ/kg °C x (70 - 20) °C =419kJ

Si l'eau était ensuite refroidie à sa température d'origine de 20 °C, elle libérerait également cette quantité d'énergie dans l'application de refroidissement.

Entropie(S)

L'entropie est une mesure du degré de désordre dans un système. Plus le degré de désordre est élevé, plus l'entropie est élevée. Les unités SI d'entropie sont kJ/kg K(kJ/kg°C).

Dans un solide, les molécules d'une substance s'organisent selon une structure ordonnée. Au fur et à mesure que la substance passe d'un solide à un liquide ou d'un liquide à un gaz, l'arrangement des molécules devient plus désordonné à mesure qu'elles commencent à se déplacer plus librement. Pour toute substance donnée, l'entropie dans la phase gazeuse est supérieure à celle de la phase liquide, et l'entropie dans la phase liquide est supérieure à celle de la phase solide.

Une caractéristique de tous les processus naturels ou spontanés est qu'ils se dirigent vers un état d'équilibre. Cela peut être vu dans la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur ne peut pas passer d'un corps plus froid à un corps plus chaud.

Un changement d'entropie d'un système est causé par un changement de son contenu calorifique, où le changement d'entropie est égal au changement de chaleur divisé par la température absolue moyenne, Équation 2.1.5.

Pour examiner cela plus en détail, considérons les exemples suivants :

Exemple2.1.3

Un procédé élève 1 kg d'eau de 0 à 100°C (273 à 373 K) dans des conditions atmosphériques.

Enthalpie spécifique à 0°C (h_F) = 0 kJ/kg (des tables à vapeur)

Enthalpie spécifique de l'eau à 100°C (h_F) = 419 kJ/kg (des tables à vapeur)

Calculer le changement d'entropie spécifique

Puisqu'il s'agit d'un changement d'entropie spécifique de l'eau, le symbole "s" dans l'équation 2.1.6 prend le suffixe "f" pour devenir_F.

Exemple2.1.4

Un procédé transforme 1 kg d'eau à 100°C (373 K) en vapeur saturée à 100°C (373 K) dans des conditions atmosphériques.

Calculer le changement d'entropyofévaporation spécifique

Puisqu'il s'agit de l'entropie impliquée dans le changement d'état, le symbole 's' dans l'équation 2.1.6 prend le suffixe '_fg’ devient_fg.

Enthalpie d'évaporation spécifique

de vapeur à 100°C (373 K) (h_fg) = 2 258 kJ/kg (des tables à vapeur)

Enthalpie d'évaporation spécifique

d'eau à 100°C (373 K) (h_fg) = 0 kJ/kg (des tables à vapeur)

Exemple2.1.5

Un procédé surchauffe 1 kg de vapeur saturée à pression atmosphérique à 150°C (423 K). Déterminer le changement d'entropie.

Comme l'entropie de l'eau saturée est mesurée à partir d'une donnée de 0,01 °C, l'entropie de l'eau à 0 °C peut, à des fins pratiques, être considérée comme nulle. Le changement total d'entropie spécifique dans cet exemple est basé sur une température initiale de l'eau de 0 ° C, et donc le résultat final se trouve être à peu près le même que l'entropie spécifique de la vapeur qui serait observée dans les tables de vapeur à l'état final de vapeur à pression atmosphérique et 150°C.

L'entropie est discutée plus en détail dans le module 2.15, Entropie - Une compréhension de base, et dans le module 2.16, Entropie - Son utilisation pratique.