Présentation de l’exercice

Cet exercice est principalement destiné à illustrer la manière de calculer des compressions et des détentes adiabatiques. Il est centré autour de l’étude d’une turbine à gaz à hélium à cycle fermé utilisée couplée avec un réacteur nucléaire à haute température.

Cet exercice se décompose en deux parties :

celle-ci (séance S21He), on étudie une turbine à gaz simple, sans régénération. Ses performances sont médiocres, mais, comme elle est facile à modéliser, elle constitue un bon exemple de démarrage.
la deuxième (séance S23He), montre que le cycle à régénération permet d’obtenir un bien meilleur rendement.

énoncé de l’exercice (pdf, 6 Ko)

(Séance réalisée le 06/08/07 par Renaud Gicquel)

Exercice TAG (Cycle Fermé)

turbine à gaz à cycle fermé à He

conditions d’entrée cœur : 200 °C, 70 bars
conditions de sortie cœur : 900 °C, 70 bars
débit d‘hélium aspiré : 140 kg/s
rendement polytropique détente : 0,9
pression sortie turbine : 26 bars
température entrée compresseur : 27,9 °C
rendement polytropique compression : 0,9

Thermoptim

deux écrans au démarrage

éditeur de schémas
simulateur

Thermoptim

schéma de la turbine à gaz

turbine
précooler
compresseur
coeur

Thermoptim

interface schéma-simulateur

Thermoptim

Paramétrage du modèle

Lorsque les éléments du simulateur sont créés, Thermoptim initialise tous les points avec une pression de 1 bar et une température de 300 K, qu’il faut ensuite modifier en fonction des données du problème que vous étudiez.

Les deux activités qui suivent vont vous montrer comment paramétrer les points et les transfos, puis la suivante vous rappellera les valeurs que vous devrez saisir dans Thermoptim.

Paramétrage des points

double-clic sur un lien orienté (flèche) ou sur une ligne de la table des points
état d’une petite particule de matière

Paramétrage des transfos

double-clic sur un composant
évolution d’un débit-masse de fluide

Paramétrage des points et transfos

Paramétrez maintenant un à un les différents points, en veillant bien à entrer les valeurs des températures connues (T3, T4), ainsi que celles des pressions, car Thermoptim ne les détermine pas automatiquement. Pour cela, opérez comme suit :

ouvrez le point 4, et entrez une température de 900 °C et une pression de 70 bars, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez ensuite le point 1, et entrez une pression de 26 bars, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 2, et entrez une température de 27,9 °C et une pression de 26 bars, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 3, et entrez une pression de 70 bars, puis cliquez sur “Calculer”

Paramétrez ensuite les transfos, pour lesquelles, les options par défaut s’appliquent : la compression et la détente sont adiabatiques, calculées par rapport à la référence isentropique, et leurs rendements isentropiques sont connus. Pour cela, opérez comme suit :

ouvrez la transfo “compresseur”, choisissez le mode de calcul “adiabatique, référence polytropique”, et entrez un rendement polytropique de 0,9, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 3 (194,37 °C)
ouvrez la transfo “cœur”, et cliquez sur “Calculer”. Les températures des points amont et aval étant connues, la chaleur mise en jeu est calculée
ouvrez la transfo “turbine”, et entrez un rendement polytropique de 0,9, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 1 (548,16 °C)

Le calcul du bilan global du cycle fait appel à la notion de type d’énergie, expliqué dans l’activité suivante.