Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Annales de questions posées à l'oral

Remarque

Cette FAQ comporte un ensemble de questions portant sur les notions devant être parfaitement mémorisées ou bien comprises, susceptibles d'être posées lors des examens oraux

Quelle est la forme des isobares dans un diagramme entropique ?

Réponse : Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en bleu. A gauche de la courbe d'ébullition commençante, les isobares sont des courbes ascendantes. A l'intérieur de la zone diphasique, la température et la pression sont liées par la loi de pression saturante, et les isobares sont des horizontales. A droite de la courbe de vaporisation, ce sont des courbes ascendantes qui, pour le gaz parfait, deviennent des exponentielles, et se déduisent l'une de l'autre par des translations horizontales. Si la pression est supérieure à la pression critique, les isobares sont des courbes strictement ascendantes, qui ne coupent pas la courbe de vaporisation. La compression isentropique d'un liquide étant à peu près sans effet sur sa température, les isobares liquides sont pratiquement confondues avec la branche montante de la courbe de vaporisation. Le diagramme est donc très imprécis dans cette zone et il est préférable de recourir à une table ou un logiciel donnant les propriétés thermodynamiques le long de la courbe de vaporisation.

Quelle est la forme des isenthalpes dans un diagramme entropique ?

Réponse : Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en rouge vif. Près de la courbe d'équilibre liquide-vapeur, elles peuvent être assez pentues Loin de la courbe d'équilibre liquide-vapeur, pour des valeurs élevées de l'entropie, elles se rapprochent d'horizontales, ce qui signifie que l'enthalpie de dépend plus que de la température. Un modèle de gaz idéal suffit alors pour représenter les propriétés du gaz.

Quelle est la forme des isotitres dans un diagramme entropique ?

Réponse : Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en magenta. Ce sont les courbes situées à l'intérieur de la zone d'équilibre liquide-vapeur qui partent du point critique.

Quelle est la forme des isothermes dans un diagramme des frigoristes ?

Réponse : Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en bleu. Dans la zone liquide, les isothermes sont pratiquement verticales sauf à proximité du point critique, l'enthalpie des liquides étant à peu près indépendante de leur pression. Dans la zone mixte, la pression et la température étant liées par la loi de pression saturante, les isothermes sont horizontales. Dans la zone vapeur, ce sont des courbes décroissantes avec des asymptotes verticales, l'enthalpie du gaz idéal correspondant étant indépendante de la pression.

Quelle est la forme des isentropes dans un diagramme des frigoristes ?

Réponse : Les isentropes ont pour pente v, du fait que dh = vdP + Tds, et donc s= v. Elles ne présentent donc pas de point anguleux, et sont presque verticales dans la partie liquide, v étant très faible. Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en rouge vif.

Quelle est la forme des isotitres dans un diagramme des frigoristes ?

Réponse : Dans les diagrammes interactifs de Thermoptim, elles sont généralement représentées en magenta. Ce sont les courbes situées à l'intérieur de la zone d'équilibre liquide-vapeur qui partent du point critique.

Quelle est la contrainte technologique la plus forte rencontrée dans les turbines à gaz ?

Réponse : Dans les turbines à gaz à cycle ouvert, la contrainte technologique majeure concerne la température maximale que peuvent supporter tant les éléments de la chambre de combustion que le premier étage de la turbine, qui sont soumis au flux des gaz d'échappement. Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor qui sont très difficiles à refroidir et particulièrement sensibles à l'abrasion. Il importe donc d'utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former des acides), et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages. Le problème est d'autant plus difficile à résoudre que les formes des tuyères fixes et des aubages mobiles des turbines sont très complexes, surtout dans les modèles de petite taille dérivés de l'aviation.

Quelles sont les contraintes technologiques les plus fortes rencontrées dans les centrales à vapeur ?

Réponse : L'une des contraintes technologiques majeures à laquelle sont soumis les cycles à flamme est la résistance mécanique de l'acier des tubes de la chaudière, soumis à la fois à une haute pression et à une température élevée, ce qui influe fortement sur la configuration des échangeurs dans les chaudières. Ces tubes sont parcourus par de l'eau ou de la vapeur à des pressions pouvant atteindre 150 à 300 bars. Sur leur face externe, ils sont en contact direct avec les gaz de combustion chauds, à une pression voisine de l'atmosphérique ou de quelques dizaines de bars au plus dans certains cas. Ils sont donc soumis à la fois à une forte différence de pression, et à un flux convectif et radiatif élevé. Sauf si l'on utilise des aciers spéciaux très coûteux, les niveaux de pression et de température doivent être limités. La très grande variation du débit-volume au cours de la détente représente une autre des principales contraintes technologiques des centrales à vapeur. Le rapport de détente volumique de l'eau entre la sortie chaudière et la sortie des turbines basse pression est en effet considérable : il est voisin de 2000.

Représenter le schéma fonctionnel d'une machine de réfrigération et tracer son cycle dans un diagramme entropique ou des frigoristes

Réponse : Vous devez tracer le schéma fonctionnel de la machine, en vous inspirant par exemple du schéma Thermoptim, nommer les différents composants et les points qui les relient, puis tracer le cycle dans le diagramme spécifié. S'il s'agit d'un diagramme entropique, on peut ensuite vous demander de superposer à ce tracé les températures des sources avec lesquelles la machine échange de la chaleur, puis de représenter le cycle de Carnot inverse d'une machine parfaite, et de commenter les différences avec la machine réelle

Représenter le schéma fonctionnel d'une centrale à vapeur et tracer son cycle dans un diagramme entropique ou des frigoristes

Réponse : Vous devez tracer le schéma fonctionnel de la machine, en vous inspirant par exemple du schéma Thermoptim, nommer les différents composants et les points qui les relient, puis tracer le cycle dans le diagramme spécifié. S'il s'agit d'un diagramme entropique, on peut ensuite vous demander de superposer à ce tracé les températures des sources avec lesquelles la machine échange de la chaleur, puis de représenter le cycle de Carnot d'une machine parfaite, et de commenter les différences avec la machine réelle

Représenter le schéma fonctionnel d'une turbine à gaz et tracer son cycle dans un diagramme entropique

Réponse : Vous devez tracer le schéma fonctionnel de la machine, en vous inspirant par exemple du schéma Thermoptim, nommer les différents composants et les points qui les relient, puis tracer le cycle dans le diagramme entropique (en supposant pour être rigoureux que l'on superpose deux diagrammes pour tenir compte du changement de composition du fluide). On peut ensuite vous demander de superposer à ce tracé les températures des sources avec lesquelles la machine échange de la chaleur, puis de représenter le cycle de Carnot d'une machine parfaite, et de commenter les différences avec la machine réelle

Quelles sont les principales différences entre un moteur essence classique et un moteur diesel

Réponse : Il y a plusieurs différences : 1) le moment où le carburant est introduit dans la chambre de combustion : dans un moteur à essence, il est prémélangé au comburant (l'air) en amont des soupapes d'admission, alors qu'il est injecté dans le diesel. Il en résulte que les cinétiques de combustion sont très différentes, ainsi que les propriétés des carburants. 2) dans un diesel, le carburant est pulvérisé sous forme de petites gouttelettes qui s'enflamment par auto-allumage dans l'air comprimé et à haute pression qui se trouve dans la chambre, alors que dans le moteur à essence, l'allumage du mélange homogène carburant/comburant est commandé : un arc électrique est créé entre les électrodes de la bougie 3) le taux de compression d'un moteur diesel est beaucoup plus élevé que celui d'un moteur à essence, qui est limité par la condition de non-détonation du mélange 4) les cycles de référence des deux types de moteurs sont théoriquement différents (combustion à volume constant pour l'essence, et à pression constante pour le diesel. Ceci dit, dans les moteurs rapides, les deux cycles se ressemblent beaucoup 5) le réglage du ralenti est beaucoup plus économique dans un moteur diesel où l'on peut réduire à loisir la quantité de carburant injectée, alors que dans un moteur à essence, la nécessité d'obtenir une richesse du mélange supérieure à la limite inférieure d'inflammabilité conduit à faire un apport de combustible supérieur aux besoins du moteur au ralenti. On compense cet excès de puissance en étranglant la veine d'arrivée des gaz grâce au papillon qui crée une très forte perte de charge en amont du moteur, ce qui est très peu performant sur le plan énergétique

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