Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Amélioration des cycles moteurs - Centrales à vapeur

Premier module

Le premier module du cours commence par des réflexions générales sur l'optimisation des cycles moteurs, qui sont ensuite mises en pratique sur les cycles à vapeur.

Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 50 mn de vidéos. Il correspond à la première semaine du MOOC.

Introduction du module

Introduction

Thème 1 : Navigateur Thermoptim pour explorations dirigées

Si vous avez suivi le cours correspondant au MOOC Modéliser et Simuler, vous connaissez Thermoptim et le navigateur qui permet de réaliser des explorations dirigées.

Sinon, découvrez le navigateur couplé à Thermoptim qui vous permettra de mettre en pratique les réflexions du cours en les appliquant à l'amélioration des cycles des systèmes énergétiques simples.

Présentation du navigateur Thermoptim

Extrait sur le navigateur Thermoptim

Téléchargez le navigateur Thermoptim et installez-le sur votre ordinateur en suivant les explications données dans cette page.

Notions de base sur Thermoptim

Dans le portail Thermoptim-UNIT, de nombreuses ressources sont à votre disposition pour découvrir Thermoptim si vous le découvrez. Cette vidéo du MOOC Modéliser et Simuler vous présente les notions de base qu'il est préférable de connaître avant d'utiliser Thermoptim

Présentation du progiciel Thermoptim

Cette page du portail correspond à cette présentation.

Thème 2 : Problématique d'optimisation des cycles moteurs

Le deuxième thème présente quelques réflexions sur les critères d'optimisation des cycles moteurs, afin de montrer d'une part l'importance de réduire les irréversibilités, notamment par différence de température, et d'autre part les avantages du fractionnement des compressions et détentes .

Optimisation des cycles moteurs

Extrait sur l'optimisation des cycles moteurs

Remarques

Le théorème de Carnot, établi en 1824, est sans doute l'une des relations des plus connues de la thermodynamique. Elle relève du deuxième principe de la thermodynamique qui sort du programme de ce cours. Nous nous contenterons donc de l'utiliser sans chercher à l'établir.

Elle est d'une grande importance en pratique, compte tenu de ses implications :

  • tout d'abord, avec les hypothèses qui permet de l'établir (cycle réversible sans frottements et transferts de chaleur sans écarts de température), il est facile de démontrer que cette efficacité est la plus élevée qui puisse être atteinte par une machine thermique à fluide simple fonctionnant entre les deux sources T1 et T2. Il s'agit donc d'une limite maximale et les cycles réels ont généralement des efficacités nettement plus faibles

  • ensuite, l'efficacité de toutes les machines réversibles opérant entre les deux sources T1 et T2 est la même, et ne dépend que de leurs températures et non des fluides thermodynamiques mis en jeu

Nous reviendrons sur le cycle de Carnot dans les compléments sur l'entropie facultatifs présentés dans le module 4.

Le travail de compression pour une machine adiabatique réversible traversée par un gaz parfait est donné par la relation ci-contre :

  • Cp est la capacité thermique massique du gaz à pression constante

  • Cv est la capacité thermique massique du gaz à volume constant

  • gamma est égal au rapport Cp/Cv

  • P est la pression

  • les indices a et r sont relatifs aux états du fluide à l'aspiration et au refoulement

  • T est la température exprimée en K

Travail de compression pour un gaz parfait

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

Thème 3 : Centrales à vapeur

Dans le deuxième thème, les réflexions précédentes sont appliquées aux centrales à vapeur. Une série de variantes sont étudiées.

Quelques compléments sont apportés sur la représentation dans Thermoptim des nœuds et des échangeurs de chaleur, fonctionnalités jusque-là non utilisées.

Cycles à resurchauffe

Cycles à resurchauffe

Extrait sur la notion de polytropique

Remarques

Dans le module 1 du MOOC CTC-MS, vous trouverez des rappels sur le fonctionnement des centrales à vapeur, les technologies correspondantes, et les évolutions de référence suivies par leurs composants.

La notion de rendement isentropique y est présentée dans le module 3, et l'exploration dirigée S-M4-V7 leur est consacrée.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

Exploration dirigée C-M1-V3

Ouvrez l'exploration dirigée C-M1-V3 Centrale à resurchauffe et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Attention : vous ne devez pas travailler à partir de ce document, mais du fichier html qui s'ouvre dans le navigateur Thermoptim ou classique. Ce document vous est juste fourni pour que vous puissiez l'imprimer si vous le souhaitez.

ED C-M1-V3 Centrale à resurchauffe

Compléments de Thermoptim sur les noeuds

Compléments de Thermoptim sur les noeuds

Remarques

Il faut bien retenir trois points :

  1. globalement, les nœuds sont supposés adiabatiques, c'est-à-dire qu'ils n'échangent pas de chaleur avec l'extérieur

  2. la somme des débits-masses des fluides entrants est égale à celle des fluides sortants. On dit que le débit-masse est conservé

  3. la somme des enthalpies totales des fluides entrants est égale à celle des fluides sortants. On dit que l'enthalpie est conservée

La modélisation d'un nœud découle de ces trois hypothèses et de ses particularités.

Vous vous posez une question relative à Thermoptim ? Consultez sa Foire Aux Questions FAQ.

De nombreuses ressources pédagogiques sont par ailleurs à votre disposition dans le portail Thermoptim-Unit.

Cycle à resurchauffe et prélèvement ou soutirage

Cycle à resurchauffe et prélèvement ou soutirage

Remarques

Seul le diviseur en sortie de turbine HP nécessite un paramétrage pour que la répartition des débits soit précisée.

Le calcul du mélangeur se fait à partir des seules hypothèses générales des nœuds : adiabaticité globale, conservation du débit-masse et de l'enthalpie.

Le point de sortie d'un diviseur peut être le même que celui d'entrée, étant donné que son état ne change pas, tandis qu'il faut impérativement un nouveau point en sortie d'un mélangeur.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

Exploration dirigée C-M1-V5

Ouvrez l'exploration dirigée C-M1-V5 Centrale à resurchauffe et prélèvement et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M1-V5 Centrale à resurchauffe et prélèvement

Vous trouverez des compléments sur les centrales à vapeur dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Centrales à vapeur supercritiques

Centrales à vapeur supercritiques

Remarques

Un fluide est à l'état supercritique lorsque sa pression est supérieure à sa pression critique Pc, ce qui, dans le diagramme des frigoristes, correspond au maximum de la courbe de saturation.

Le point critique est caractérisé par d'une part la pression critique Pc, et d'autre part la température critique Tc.

A titre d'exemple :

  • pour l'eau, Pc = 221,2 bar, et Tc = 647,3 K

  • pour le R134a, Pc = 40,59 bar, et Tc = 374,21 K

Référez-vous au module 3 du MOOC CTC-MS pour plus de précisions sur les propriétés des corps purs.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

Vous trouverez des compléments sur les centrales supercritiques dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Compléments de Thermoptim sur les échangeurs de chaleur

Compléments sur les échangeurs de chaleur

Extrait sur les échangeurs de chaleur

Remarques

Il faut bien comprendre ces trois notions :

  • le pincement, qui représente l'écart minimum de température entre les deux fluides

  • l'efficacité de l'échangeur, rapport de la plus grande augmentation de température au sein des fluides à l'écart des températures d'entrée des deux fluides

  • les degrés de liberté pour le calcul d'un échangeur, au nombre de 5, du fait qu'il y a six variables indépendantes (les températures d'entrée et de sortie et les débits des deux fluides) et une équation de liaison (la conservation de l'enthalpie totale)

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

Vous trouverez des compléments sur les échangeurs de chaleur dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP)

Centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP)

Remarques

Compte tenu des hypothèses faites, le paramétrage du sécheur-surchauffeur dépend uniquement de deux grandeurs :

  • la fraction de vapeur qui est soutirée en sortie du GV

  • la moyenne pression en sortie de la première détente

Cette page de la documentation d'EDF comporte plusieurs animations qui montrent comment fonctionnent les centrales nucléaires de type REP.

Ces trois animations de la Marine Nationale illustrent le fonctionnement des chaufferies nucléaires du type REP qui équipent les sous-marins nucléaires et le porte-avions Charles de Gaulle.

  • La première animation montre la chaufferie dans son ensemble. Elle permet de se rendre compte de la taille du dispositif

  • La seconde indique les noms des différents éléments qui composent la chaufferie. La partie rouge correspond au circuit primaire qui refroidit le cœur du réacteur nucléaire. Le pressuriseur est placé à droite du schéma. Le générateur de vapeur est situé au-dessus du circuit primaire

  • La troisième visualise le rôle des crémaillères de réglage de la puissance thermique, qui sont actionnées par les deux moteurs situés à gauche et à droite de la cuve, dans la partie basse

L'ensemble des animations utilisées dans ce MOOC et réalisées par la Marine Nationale l'ont été par le Service TICE - Secteur API du Pôle Écoles Méditerranée, à Saint Mandrier. Précisons que ces médias et informations fournis par la Marine nationale l'ont été uniquement afin d'illustrer ce cours, et qu'à ce titre, leur exploitation hors contexte de ce vecteur de consultation nécessite l'accord de la Marine nationale.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

Exploration dirigée C-M1-V8

Ouvrez l'exploration dirigée C-M1-V8 Centrale nucléaire REP et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M1-V8 Centrale nucléaire REP

Remarques

Vous trouverez des compléments sur les centrales nucléaires REP dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

D'une manière plus générale, cette page vous présentera la filière nucléaire et les principaux types de réacteurs en service ou à l'étude.

Cycles organiques de Rankine (ORC)

Cycles ORC

Remarques

Deux préoccupations environnementales sont venues remettre en cause l'utilisation massive des fluides thermodynamiques, essentiellement ceux utilisés dans les machines de réfrigération et dans les cycles ORC : la rupture de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre.

Dans cette rubrique du portail Thermoptim-UNIT, vous trouverez des présentations succinctes de cette problématique et des explications sur les critères à considérer lorsqu'on désire choisir un fluide thermodynamique pour une application donnée.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

Exploration dirigée C-M1-V9

Ouvrez l'exploration dirigée C-M1-V9 Cycle ORC OTEC et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M1-V9 Cycle ORC OTEC

Vous trouverez des compléments sur les cycles ORC dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Connaissances acquises

Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :

  • saurez calculer le rendement de Carnot d'un cycle moteur

  • aurez compris en quoi les cycles réels diffèrent du cycle de Carnot

  • saurez que le travail de compression ou de détente adiabatique est proportionnel à la température absolue du fluide de travail entrant dans la machine

  • connaîtrez les principales variantes des cycles à vapeur

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