Énergie locale et aux bornes

DéfinitionL'énergie massique locale et la différence d'énergie aux bornes d'une composantes.

On appelle énergie totale \(E_t\) , l'énergie calculée par Bernoulli à une section i du circuit hydraulique.

\(E_{t_i} = {p_i \over \rho} + g z_i + {{v_i}^2 \over 2 }\)

Il s'agit d'une énergie massique, c'est à dire une énergie par unité de masse, soit des J/kg ce qui est équivalent à des m²/s² ou des Pa-m³/kg.

La perte de charge est une différence d'énergie massique perdue dans une composante. Par exemple, à la sortie de l'aspirateur, entre les points 6 et 6', l'énergie cinétique \({v_6^2 \over 2}\) est perdue et constitue une perte de charge.

L'énergie interne \(E_I\) est l'énergie aux bornes de la roue qui est transformée totalement en énergie mécanique à l'arbre. Elle se calcule avec Euler : \(E_I=gH_I=U_4C_{u4}-U_5C_{u5}\) ou avec Bernoulli \(E_I = E_{t4}-E_{t5}\).

L'énergie nette \(E\) est l'énergie aux bornes de la turbines. Elle s'exprime comme étant \(E_{t3} - E_{t6'}\). Toutefois, les énergies cinétiques en 3 et 6 sont calculées par rapport à leur vitesse moyenne ou vitesse débitante à la section considérée et exprimée par \(v_{moy} = {Q \over A}\).

L'énergie brute est l'énergie disponible au site, elle est liée aux niveaux amont et aval et de ce fait se calcule ainsi : \(E_b= (g z_1 + {p_{atm1} \over \rho})-(g z_7+{p_{atm7}\over \rho})\) .

En ingénierie hydraulique, on a tendance, par abus de langage, à parler d'énergie en terme de chute, il faut savoir que \(H ={ E \over g}\) et s'exprime en mce[1], ce qui est une représentation plus intuitive ou palpable de l'énergie.

Coupe d'une installation hydroélectriqueInformations[2]

RemarqueÉnergie nette

L'énergie nette est définie comme étant l'énergie hydraulique disponible à la turbine. Cette définition doit satisfaire des contraintes pratiques :

  • les limites géométriques contractuelles de la turbine,

  • la responsabilité à départager entre le turbinier et le civiliste,

  • le besoin de la mesurer avec précision.

La turbine est limitée par les sections de mesure haute et basse pression. Il y a donc une entente contractuelle qui définit leurs positions exactes.

Pour la section haute pression, c'est habituellement à l'entrée de la bâche spirale près de la jonction avec la conduite forcée. Il faut être suffisamment loin de toute discontinuité géométrique qui pourrait introduire des perturbations locales de l'écoulement.

Pour la section basse pression, c'est près de la sortie aspirateur mais suffisamment à l'amont pour éviter la perturbation crée par l'expansion brusque.

Définition de l'énergie nette selon CEI60193Informations[3]

Cette définition s'appuie sur la connaissance des vitesses moyennes entrée et sortie qui sont calculées à partir de la mesure du débit et des sections haute et basse pression.

Un regard rapide à cette définition du CEI[4] pour la chute nette, nous porterait à penser qu'il s'agit de la différence de l'énergie totale entre l'entrée et la sortie de la turbine. Ce n'est pas le cas.

Les pressions statiques mesurées p1 et p2 en paroi sont très représentatives de la pression statique aux sections d'entrée et de sortie. Par contre, si (Q/A1)^2 représente bien la pression dynamique à l'entrée, ce n'est pas du tout le cas à la sortie. Ainsi à la sortie, l'énergie cinétique réelle est habituellement beaucoup plus importante que celle calculée par la vitesse débitante moyenne.

Cette caractéristique rencontre parfaitement nos exigences, ainsi le turbinier doit concevoir sa machine pour limiter au maximum l'énergie cinétique réelle à la sortie et ainsi maximiser l'énergie disponible à la roue. On observe aussi que l'énergie cinétique à la sortie basée sur la vitesse moyenne est le minimum possible à atteindre.

Comme en général, la longueur de l'aspirateur est imposée par la conception de la centrale, il est normal que l'on n'attribue pas à la machine cette énergie cinétique minimale.

Sections de mesure haute et basse pression pour l'énergie nette selon CEI60193Informations[5]