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.

Après avoir commencé dans le premier thème par une présentation rapide des fonctionnalités du navigateur Thermoptim, nous réfléchissons dans le second thème aux critères d'optimisation des cycles moteurs.

Nous montrons ainsi l'importance de réduire les irréversibilités, notamment celles qui sont dues aux différences de température.

Nous appliquons ensuite dans le troisième thème ces réflexions aux centrales à vapeur, ce qui nous conduit à analyser diverses variantes des cycles simples aux performances améliorées.

Comme nous l'avons déjà indiqué, la présentation qui est retenue commence par l'étude des centrales à vapeur au sens large et non pas spécifiquement de celles qui sont couplées à des réacteurs nucléaires. Les particularités de celles-ci sont abordées dans le second module.

Le volume horaire est d'environ 2 h de travail, dont 42 mn de vidéos.

Si vous avez suivi la première partie du cours, 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.

Les indications sur la manière d'installer les différentes versions 2.82 du navigateur Thermoptim pour Linux, Mac et Windows sont 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 ne le connaissez pas encore. Cette vidéo vous présente les notions de base qu'il est préférable de connaître avant d'utiliser le progiciel.

Cette page du portail correspond à cette présentation.

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.

Le deuxième thème commence par 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 .

Remarques

Le théorème de Carnot, établi en 1824, est sans doute l'une des relations des plus connues de la thermodynamique.

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

Des explications complémentaires sur le cycle de Carnot sont données dans le module 6 de la première partie du cours.

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

• Texte à trous sur le rendement de Carnot

• Texte à trous sur écarts cycle réel / Carnot

• QCM sur les principales pistes d'amélioration des cycles thermodynamiques

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, type de composant jusqu'ici non utilisé.

Cycles à resurchauffe

Remarques

Dans le module 1 de la première partie, 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 est présentée dans le module 3, et l'exploration dirigée S-M4-V7 lui est consacrée.

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

• Texte à trous sur la polytropique

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.

Compléments de Thermoptim sur les nœuds

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.

Bilan exergétique du cycle à vapeur simple

L'exploration dirigée BESP-1 : Bilan exergétique et structure productive d'un cycle à vapeur simple montre comment peut être établi son bilan exergétique.

Ce bilan confirme ce que la comparaison effectuée avec le cycle de Carnot avait mis en évidence, à savoir que, dans un tel cycle, c'est dans l'économiseur que se situe la plus grande irréversibilité due aux différences de température avec la source chaude.

Si vous analysez la distribution des irréversibilités donnée dans ce bilan, vous voyez que près de la moitié (48,6 %) se situent au niveau de l'économiseur. Ce bilan nous permet de quantifier ce qui avait été qualitativement mis en évidence dans le diagramme entropique (T, s).

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 :

• Texte à trous sur le cycle à prélèvement ou soutirage

• Placement sur image : Cycle à resurchauffe et prélèvement

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.

Bilan exergétique du cycle à resurchauffe et soutirage

Le tableau ci-dessous fournit le bilan exergétique du nouveau cycle. Son rendement global a augmenté par rapport à celui de référence (52,7 %), et surtout, les irréversibilités dans l'économiseur ont été fortement réduites (31,1 % au lieu de 48,6 %). A noter également que la part des irréversibilités des turbines HP et BP est de 14,6 % au lieu de 15,6 % dans le cycle de référence. Cette réduction est due à la détente étagée avec réchauffe.

La manière dont ce bilan peut être établi et la structure productive correspondante sont expliquées dans l'exploration dirigée BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles.

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

Grâce à ce programme, à la fin du module,

• vous aurez pu mettre en application les réflexions sur les différentes manières de réduire les irréversibilités

• vous connaîtrez les principales variantes des cycles à vapeur, notamment les cycles à resurchauffe et les cycles à resurchauffe et prélèvement.