Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles combinés, cogénération, variantes des cycles récepteurs

Troisième module

Dans le troisième module, vous commencez par poursuivre l'application des réflexions des semaines précédentes aux systèmes énergétiques hybrides très performants que constituent les cycles combinés et les installations de cogénération.

Dans un second temps, vous transposez ces réflexions aux cycles récepteurs, dont l'optimisation fait aussi appel à la réduction des irréversibilités.

Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 45 mn de vidéos. Il correspond à la troisième semaine du MOOC.

Introduction du module

Introduction

Thème 1 : Systèmes énergétiques hybrides

Cycles combinés

Cycles combinés

Remarques

Le modèle de cycle combiné que nous avons présenté comporte deux circuits fluides séparés, couplés par un échangeur de chaleur, le générateur de vapeur récupérateur GVR.

Une fois le modèle de turbine à gaz déterminé, le paramétrage du modèle du cycle à vapeur dépend essentiellement de la valeur des pincements dans le GVR.

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

Exploration dirigée C-M3-V1

Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V1 Cycles combinés et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M3-V1 Cycles combinés

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

La méthode du pincement permet d'optimiser la conception des générateurs de vapeur récupérateurs.

Installations de cogénération

Installations de cogénération

Vous trouverez une présentation des installations de cogénération dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Le détail du paramétrage de la cogénération à moteur à gaz présentée est expliqué dans l'exploration dirigée C-M3-V2.

Extrait sur les indicateurs de cogénération

Remarques

L'électricité se transporte beaucoup mieux que la chaleur. C'est la raison pour laquelle la plupart des installations de cogénération ont pour fonction principale de fournir de la chaleur, et pour fonction secondaire de produire de l'électricité.

Elles sont installées dans des sites où il y a des besoins de chaleur, et exportent l'électricité qu'elles produisent en complément.

Exploration dirigée C-M3-V2

Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V2 Cogénération et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M3-V2 Cogénération

Thème 2 : Cycles récepteurs cycles de réfrigération et variantes

Variantes des cycles frigorifiques

Variantes des cycles frigorifiques

Extrait sur l'amélioration des cycles de réfrigération

Remarques

Dans le MOOC CTC-MS, vous trouverez des rappels sur le fonctionnement des installations de réfrigération, les technologies correspondantes, et les évolutions de référence suivies par leurs composants. L'exploration dirigée S-M4-V9 leur est consacrée.

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.

Cette animation de la Marine Nationale montre le diagramme des températures dans un condenseur de machine frigorifique, avec les évolutions de la température du frigorigène et de l'air de refroidissement.

Les phases de désurchauffe, de condensation et de sous-refroidissement sont visualisées.

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

Exploration dirigée C-M3-V3

Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V3 Cycle frigorifique à injection totale et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Vous trouverez des compléments sur les installations de réfrigération à compression de vapeur dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

ED C-M3-V3 Cycle frigorifique à injection totale

Cycles à éjecteur

Cycles à éjecteur

Vous trouverez une présentation des éjecteurs dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Extrait sur les cycles frigorifiques à éjecteurs

Remarques

Le modèle d'éjecteur (modèle dit unidimensionnel) repose sur les hypothèses suivantes :

  • la détente des fluides primaire et secondaire dans la tuyère d'entrée est supposée adiabatique, avec prise en compte des irréversibilités grâce à un rendement isentropique

  • la pression reste constante dans la chambre de mélange (il existe des éjecteurs à section de mélange constante, mais ils sont moins performants que les autres)

  • lorsque le flux mélangé est supersonique, un choc normal peut prendre place dans la chambre de mélange, ce qui ralentit le fluide et crée une surpression importante

  • la compression dans le diffuseur est supposée adiabatique, avec prise en compte des irréversibilités grâce à un rendement isentropique

  • les propriétés du fluide sont homogènes dans toute section

Ce composant fait partie de la modélothèque de Thermoptim.

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

Exploration dirigée C-M3-V4

Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V4 Cycle frigorifique à éjecteur et compresseur et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

ED C-M3-V4 Cycle frigorifique à éjecteur et compresseur

Remarques

Autres cycles récepteurs

Autres cycles récepteurs

Remarques

Pour un cycle frigorifique simple, la notion de COP suffit, car il n'y a pas d'ambiguïté, et c'est pourquoi, par souci de simplicité, nous nous sommes jusqu'ici contenté de la définition habituelle :

COP = (puissance frigorifique)/(puissance de compression)

Pour une machine susceptible d'être utilisée en mode climatisation ou en mode chauffage, comme une pompe à chaleur, on distingue parfois le coefficient d'efficacité frigorifique (EER de Energy Efficiency Ratio en anglais) du COP défini comme rapport de la puissance de chauffe à la puissance de compression.

Pour éviter toute ambiguïté, nous préférons parler de COP froid (COPf) et de COP chaud (COPc).

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

Pompes à chaleur

Vous trouverez une présentation des pompes à chaleur dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Un sujet très important lorsqu'on s'intéresse aux cycles frigorifiques et de pompe à chaleur est l'étude de leur comportement lorsque la température extérieure varie, notamment lorsque leur compresseur est volumétrique.

1) Tout comme nous avons vu que le rendement isentropique d'une turbine varie avec le rapport de compression, de telle sorte qu'une approche polytropique est plus pertinente, le rendement isentropique des compresseurs volumétriques varie avec le rapport de compression et ne peut donc généralement être considéré constant.

Des formulations approchées permettent ainsi d'obtenir la valeur du rendement isentropique d'un compresseur frigorifique volumétrique en fonction du rapport de compression P2/P1.

Elles sont du type, a, b, c, d et e étant des paramètres obtenus par régression sur des résultats d'essais :

Par exemple : a = 0,9, b = 0,004, c = 5, d = 0,5, e = 0,3.

2) Une autre caractéristique des compresseurs volumétriques est qu'en fin de compression, il existe toujours un certain volume, même petit, appelé espace mort, entre les parois fixes et les parois mobiles (la culasse, le cylindre et le piston par exemple).

Une partie du gaz n'est donc pas expulsée, et recircule dans le compresseur, se détendant avant admission de la charge fraîche. Plus le taux de compression est élevé, plus la masse qui recircule est grande, et plus la masse utile diminue.

Il résulte de ce phénomène que le débit massique qui traverse un compresseur volumétrique varie à la fois en fonction du rapport de compression et en fonction du volume massique du gaz aspiré.

On introduit pour caractériser cette perte un rendement volumétrique lambda, qui peut souvent être considéré comme une fonction linéaire du rapport de compression :

Des valeurs de alpha de l'ordre de 0,03 sont courantes.

Si l'on veut étudier avec précision l'adaptation d'une installation de réfrigération utilisant un compresseur volumétrique, il faut tenir compte de l'évolution de son rendement isentropique et de son rendement volumétrique.

3) Un exemple de modèle de pompe à chaleur reparamétrable en fonction de la température extérieure est présenté dans cette page.

Cycle de Brayton inverse

Vous trouverez une présentation du cycle de Brayton inverse dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Cryogénie

Vous trouverez une présentation de la cryogénie dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Connaissances acquises

Grâce à ce programme, à la fin du module :

  • vous saurez paramétrer un cycle combiné à 1 niveau de pression

  • vous connaîtrez les principales variantes des installations de cogénération

  • vous aurez étudié différents variantes de cycles de réfrigération et de cryogénie

  • vous saurez identifier l'origine des irréversibilités et les axes d'amélioration des cycles récepteurs

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