Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles de réfrigération

Cycles de réfrigération

Ce module d'auto-formation est structuré en trois étapes correspondant à une progression comprenant l'acquisition des bases, leur consolidation, puis des activités plus spécifiques des cycles de réfrigération et quelques suggestions d'approfondissement.

Les cycles thermodynamiques mis en oeuvre dans ce module sont essentiellement de trois types : des cycles de réfrigération à compression de vapeur, des cycles inverses de turbine à gaz à cycle ouvert, et des cycles à absorption. Nous y avons toutefois ajouté le cycle de la turbine à gaz simple car il s'agit du cycle de Brayton, qui peut, inversé, être utilisé en réfrigération.

La progression proposée vous permet de vous familiariser avec ces cycles avant de passer à des applications plus complexes.

Acquisition des concepts et des outils (première étape)

Au cours de cette première étape, vous chercherez à acquérir l'ensemble des concepts et à maîtriser les outils qui vous permettront ultérieurement d'approfondir vos connaissances.

Rappels des bases

Cet enseignement ne traite pas en détail des bases de thermodynamique, supposées déjà connues. Des séances de rappels sont toutefois proposées. Il vous est recommandé de les parcourir au moins une fois rapidement, ne serait-ce que pour vous familiarisier avec les notations utilisées.

Il importe en particulier que vous compreniez bien les notions de système ouvert[1] ou fermé et celle d'enthalpie, car elles seront utilisées en permanence ultérieurement. De la même manière, bien que les propriétés des fluides soient supposées connues, l'expérience prouve que des rappels ne sont généralement pas inutiles, notamment sur leur représentation dans les différents diagrammes thermodynamiques.

Apprentissage de Thermoptim

C'est aussi au cours de cette étape que vous ferez l'apprentissage du simulateur que vous utiliserez tout au cours de cet enseignement pour modéliser les systèmes énergétiques. Vous disposez pour cela d'une séance de présentation générale, qui vous fera découvrir les fonctionnalités du progiciel, et surtout de deux exemples de construction pas à pas de modèles (turbines à gaz, cycle de réfrigération), qui vous permettront de prendre en mains l'outil.

Découverte des technologies

L'enseignement de l'énergétique comporte deux grands volets, de nature très différente mais de difficulté semblable :

  • d'une part celui de la modélisation des technologies étudiées, qui relève essentiellement de la thermodynamique appliquée

  • d'autre part celui de la compréhension des technologies mises en oeuvre, qui diffèrent assez profondément selon le type de machine

Dans ces séances, vous aurez à étudier des séances relevant de chacun de ces deux volets, quelquefois totalement séparés, quelquefois combinés. Prenez bien le temps d'étudier les technologies présentées, et n'hésitez pas à compléter les informations qui vous sont fournies, car elles sont nécessairement succinctes et incomplètes. Vous trouverez pour cela des références externes, notamment aux Techniques de l'Ingénieur, que nous vous recommandons de consulter.

Comme vous le verrez, les technologies énergétiques peuvent être considérées comme des systèmes mettant en jeu un nombre limité de composants, dont il importe de bien comprendre le comportement. La progression proposée consiste donc à vous faire d'abord étudier les composants, puis ensuite les systèmes.

Afin que vous puissiez entrer rapidement dans le vif du sujet, vous commencerez par étudier deux types de composants, ceux qui permettent de réaliser d'une part des compressions et détentes, et d'autre part des échauffements et refroidissements de fluides. Avec ce bagage, vous pourrez étudier les cycles de base d'une turbine à gaz simplifiée et celui d'une machine de réfrigération.

Etude des cycles de base

Au même titre que celle des technologies, l'étude des cycles de base revêt une très grande importance, car, si elle est bien faite, elle vous permettra de structurer durablement vos connaissances en énergétique. La double approche discursive et graphique qui est ici proposée vous aidera dans cette tâche.

Une séance préalable traitant des généralités sur les cycles introduira les principaux concepts utilisés dans ce contexte.

Un clic sur l'une des séances vous donne un accès direct au module Diapason correspondant.

Consolidation des notions (deuxième étape)

La première étape vous a permis d'acquérir les concepts de base de la discipline et d'apprendre à utiliser Thermoptim pour modéliser les cycles de base.

Au cours de cette deuxième étape , vous commencerez par consolider vos connaissances en étudiant quelques compléments théoriques (notamment sur l'exergie et les échangeurs), et en analysant des variantes des cycles de base, que vous approfondirez dans la troisième. 

Les cycles étudiés devenant plus complexes, les modèles que vous étudierez vous demanderont davantage de travail que les précédents. Des compléments de modélisation avec Thermoptim vous seront présentés.

Exergie

La théorie de l'exergie fournit un cadre tout à fait rigoureux pour quantifier la qualité thermodynamique d'un système quelconque, ouvert ou fermé, en régime dynamique ou non. Les bilans exergétiques sont de plus en plus acceptés comme un outil privilégié pour comparer et optimiser les cycles thermodynamiques.

Au cours de cette étape, vous aurez l'occasion de vous familiariser avec ce concept et d'apprendre à le mettre en oeuvre pour les différentes études de cycles.

Echangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleurs sont des appareils permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des températures différentes. A ce titre, ils jouent un rôle fondamental dans de nombreuses technologies énergétiques.

Bien que leur mode de fonctionnement soit généralement simple, étant donné qu'il s'agit de composants fixes, sans pièces en mouvement, l'expérience montre que de nombreuses difficultés surgissent lorsqu'il s'agit de les paramétrer judicieusement.

Au cours de cette étape, vous vous familiariserez avec les échangeurs de chaleur et vous apprendrez à les modéliser.

Modélisation avancée avec Thermoptim

Thermoptim est un progiciel qui permet de beaucoup faciliter (et de sécuriser) la modélisation des systèmes énergétiques. Il n'en reste pas moins que son utilisation demande un certain nombre de précautions dès lors que vous vous intéressez à des technologies complexes, notamment si elles mettent en jeu des fluides différents, avec des mélanges et des combustions, ainsi que lorsque des échangeurs interviennent.

Une séance Diapason particulière, intitulée "Trucs et astuces avec Thermoptim, vous apprendra à maîtriser ces difficultés.

Etude des variantes des cycles de base et des cycles avancés

Maintenant que vous maîtrisez les cycles de base, vous allez étudier leurs variantes et des cycles plus complexes.

Remarque

Cycles de réfrigération et approfondissements (troisième étape)

Cycles de réfrigération à compression

Les cycles de réfrigération à compression de vapeur étudiés jusqu'ici sont relativement simples. Comme l'a montré la séances Diapason S30, des cycles bi-étagés peuvent conduire à des performances améliorées. Vous pourrez commencer par traiter les exercices sur ces sujets qui vous sont proposés dans ce portail.

Une fiche thématique est dédiée aux cycles cryogéniques , qui sont des cycles de réfrigération particuliers compte tenu des difficultés qu'il y a à atteindre des températures très basses.

Par ailleurs, l'utilisation de cycles de réfrigération à éjecteur permet d'envisager des cycles innovants attractifs, qui font actuellement l'objet de nombreuses publications. Une fiche-guide vous permet de vous initier à ces cycles et de les modéliser.

Comme vous l'ont montré les activités des deux premières étapes, une des principales sources d'irréversibilité des machines de réfrigération provient des écarts de température entre le fluide de travail et les sources avec lesquelles il échange de la chaleur, notamment au niveau du désurchauffeur/condenseur. Afin de réduire ces irréversibilités, lorsque le milieu dans lequel la chaleur est rejetée est l'air environnant, il peut être intéressant de recourir à des tours de refroidissement . Une fiche-guide sur ce thème vous permettra de vous initier à leur modélisation et d'estimer l'impact sur les performances globales du cycle que peut avoir leur utilisation.

Il est par ailleurs possible de produire du froid en utilisant le cycle de Brayton inverse , qui est notamment utilisé pour climatiser les avions et est envisagé pour les automobiles. Une fiche thématique vous permet de modéliser de tels cycles.

Cycles de réfrigération à absorption liquide

Les cycles à absorption liquide mettent en jeu au moins deux fluides : un solvant et un soluté (le réfrigérant). Bien que d'autres couples soient étudiés, les seuls qui soient utilisés en pratique pour la quasi-totalité des applications sont les deux couples LiBr- H2O et H2O -NH3.

Le principal intérêt des cycles de réfrigération à absorption liquide est qu'ils ne requièrent qu'une faible puissance mécanique comparativement à leurs homologues à compression de vapeur (moins de 1%). Utilisant un cycle thermodynamique tritherme, ils permettent d'utiliser directement de la chaleur à moyenne ou haute température pour produire du froid, sans nécessiter ou presque d'apport d'énergie mécanique. A ce titre, ils ont théoriquement des rendements globaux en terme d'énergie primaire supérieurs aux cycles à compression de vapeur.

La modélisation d'un cycle LiBr-H2O vous est proposée dans une fiche thématique, et une  fiche-guide de TD vous présente une utilisation possible de ce type de cycle pour faire de la trigénération , c'est-à-dire la production combinée de puissance mécanique, de chauffage et de froid.

Approfondissements

Nous vous suggérons deux voies d'approfondissement : le mécanisme des classes externes, destiné à vous permettre d'ajouter à Thermoptim vos propres composants, et les calculs sur les gaz humides, qu'il est préférable de connaître lorsqu'on s'intéresse aux tours de refroidissement.

Mécanisme des classes externes

Les classes externes sont des éléments de code Java permettant à des utilisateurs de personnaliser leur environnement de travail en définissant leurs propres composants (transfos, mélangeurs et diviseurs) ou leurs propres corps. Elles facilitent l'inter-opérabilité du progiciel avec l'extérieur, notamment avec d'autres applications développées sous Java.

Une fois créées, les classes externes s'intègrent dans les écrans de Thermoptim tout comme les éléments du noyau, et peuvent être utilisées pour modéliser des systèmes énergétiques complexes. Cette manière de faire permet de limiter le travail de modélisation et de bénéficier des fonctionnalités de l'environnement de Thermoptim, ce qui a pour effet de faciliter et sécuriser la modélisation.

La séance Diapason S07_ext " Introduction à l'utilisation et à la programmation des classes externes " vous permettra de vous initier à ce mécanisme.

Calculs sur les gaz humides

Depuis l'origine, Thermoptim dispose de fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points, mais celles-ci ne sont généralement utilisées que pour effectuer des calculs particuliers, découplés des calculs de cycles thermodynamiques standard, comme par exemple du traitement de l'air ou de la climatisation (cf. manuel de référence tome 2). C'est d'ailleurs pour cela que les transfos humides ne disposent pas de pictogramme dans l'éditeur de schémas.  

Etant donné qu'un certain nombre de cycles thermodynamiques mettent en jeu des variations de l'humidité des gaz, il était regrettable de ne pouvoir les modéliser facilement dans Thermoptim. C'est pour cela que les fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points de Thermoptim ont été rendues accessibles depuis les classes externes. Un document explique comment les utiliser.

  1. Systèmes ouverts et fermés

    Un système thermodynamique désigne une quantité de matière isolable de son environnement par une frontière fictive ou réelle. Ce système est dit fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur à travers ses frontières ; sinon il est dit ouvert. Les débutants sont souvent décontenancés par la distinction entre systèmes fermés et systèmes ouverts, ces derniers correspondant à un concept nouveau pour eux car au cours de leur scolarité de premier cycle, ils n'ont généralement étudié que des systèmes fermés (pour éviter la prise en compte des échanges de matière aux frontières).

copyright R. Gicquel

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