Soutirage d'un gaz liquéfié

[Thé-Au-Riz]

Bonjour à tous

J'ai en ce moment à résoudre un petit problème de thermo, j'ai construit un raisonnement que je vous expose. L'exemple présenté n'a pas d'intérêt pratique tel quel mais m'aide à comprendre certains phénomènes.

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Supposons que l'on aie une bouteille de gaz liquéfié (par exemple du butane). A l'état initial, le mélange liquide vapeur est à 20°C, la pression dans la bouteille est donc d'environ 2 bars. Maintenant, supposons qu'on alimente un brûleur de gazinière de 5kW. Un petit caclul rapide avec le PCI du butane nous donne un débit d'environ 22mg/s.

Le soutirage de ces 11 mg/s provoque t-il un refroidissement de la bouteille ?


Ma réponse :Puissance nécessaire à l'évaporation : 366 kJ/kg x 11e-6 = 4W

Ainsi pour s'évaporer, le liquide a besoin de 8W. Si on considère la bouteille parfaitement isolée, aucune chaleur ne peut être échangée avec l'environnement et donc le liquide se refroidit petit à petit. La pression dans la bouteille diminue donc également.

Si on considère une bouteille non calorifugée, le refroidissement va créer un flux aux parois pour réchauffer le liquide. La température d'équilibre va dépendre des coefficients convectifs ainsi que de la résistance thermique de la parois.


Conclusions : Le taux de refroidissement dépends du niveau d'isolation de la bouteille, de la chaleur latente d'évaporation et du débit évaporé. Pour garder une pression constante dans la bouteille, on a intérêt augmenter l'échange à l'ambiance. On comprends aussi pourquoi une bouteille de butane n'a pas sa place à l'extérieur ( P<1bar abs dès -1°C) et pourquoi le propane ne pose pas ce soucis dans nos contrées (P<1bar abs dès -42°C).



Un débit important de gaz prélève un flux important à la paroi, pouvant faire tomber la température de parois sous le 0°C et ainsi provoquer du givre. Merci pour vos commentaires
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Supposons maintenant que la bouteille soit remplie d'air comprimé. Mon premier réflexe aurait été de dire que la température ne change pas
(PV=mrT : diminution de pression causée diminution de la masse, à volume constant dont T reste constant)

Or, en appliquant le 1er principe (hypothèse adiabatique) + la cons. de la masse +et la loi des gaz parfait, on se rend compte que la température diminue au cours du temps et que la température finale dépends du rapport de pression comme si la détente était isentropique. Ainsi, en vidangeant une bouteille d'air comprimmé de 8 bars ,20°C à 3bars, la température de l'air restant dans la bouteille serait -51°C !


Je comprends qu'il s'agit d'une détente, mais pour moi cette détente était causée par la diminution de la masse. J'ai donc besoin d'explications
Merci d'avance pour vos réponses
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[LPFR]

Bonjour.
Si je fais abstraction des 22 mg/s qui se transforment en 11 mg/s puis le 4 W qui se transforment en 8W, votre raisonnement est correct.

Pour l'air c'est aussi correct. Celui de la bouteille est passe de 8 bars à 3 bars mais celui qui est sorti est passe de 8 bars à 1 bar. Il s'est dont beaucoup plus refroidi.
La détende n'est pas causé par une diminution de masse.
Vous avez perdu l'air qui est sorti. Mais c'est votre faute. Il aurait suffit d'installer un énorme ballon en plastique sur la sortie pour qu'il reste dedans. Et vous pourriez considérer le ballon comme l'autre côté du cylindre que l'on utilise dans les exemples avec des gaz.
Au revoir.

[Thé-Au-Riz]

Bonjour LPFR,

Merci pour la réponse. Effectivement je me suis emmêlé les pinceaux avec les chiffres (édition du message incomplète )

Pour en revenir au cas de la bouteille d'air comprimé, vous dites donc bien que l'air qui se retrouve à l'atmosphère (1bar ) sera encore plus froid que celui dans la bouteille car il se détendra plus. Mais j'ai tout de même du mal à m'immaginer cela. Mon tord est d'avoir raisonné jusqu'à présent uniquement sur des compressions/détente par variation de volume, à masse constante. (cas du moteur). Du coup dans ma tête, si le volume est constant, le fait de retirer de la masse provoque une diminution de pression de manière isotherme. Apparament c'est faux (et même constaté dans mes calculs ).

Il faudrait plutôt se dire : la masse retirée dans la bouteille permet une diminution de la masse volumique du gas résiduel, ce qui provoque la détente de ce gaz, de manière isentropique si la vidange est rapide, de manière isotherme si la vidange est infiniment lente.

Finalement, le travail des gaz lors de la détente, si il n'est récupéré par aucune partie mobile, serait converti intégralement en énergie cinétique + travail de frontière pour repousser le gas ambiant. J'ai tout bon ?

[FC05]

Pour revenir au gaz, on observe le refroidissement (assez net) sur des petites bouteilles de camping vers la fin d'utilisation. La masse restante doit-être trop faible pour faire amortisseur thermique. On voit le niveau de liquide restant avec la buée qui se dépose sur la partie basse.

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

...
Il faudrait plutôt se dire : la masse retirée dans la bouteille permet une diminution de la masse volumique du gas résiduel, ce qui provoque la détente de ce ...

Re.
Ce qui fait diminuer la température n'est pas que l'on retire de la masse mais la détente adiabatique.
A+

[Thé-Au-Riz]

Pour revenir au gaz, on observe le refroidissement (assez net) sur des petites bouteilles de camping vers la fin d'utilisation. La masse restante doit-être trop faible pour faire amortisseur thermique. On voit le niveau de liquide restant avec la buée qui se dépose sur la partie basse.

Je me suis dis la même chose. On doit pouvoir modéliser ça en faisant varier la surface d'échange en fonction du niveau de liquide. Du coup la pression doit fortement chuter vers la fin de la bouteille.

@LPFR
Concernant la détente adiabatique de l'air, j'aimerai comprendre la variable qui permet cette détente. On parle bien du gaz qui est encore dans la bouteille n'est ce pas? Si on retire de la masse à cette bouteille, celle qui reste occupera le même volume donc masse volumique qui diminue. Pourriez vous m'expliquer votre vision du problème ?