Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Étape 1 cours d'auto-formation aux systèmes énergétiques

Objectif

Au cours de cette première étape, vous chercherez :

  • à acquérir l'ensemble des concepts

  • à maîtriser les outils qui vous permettront ultérieurement d'approfondir vos connaissances

  • à bien comprendre les exemples de base (turbine à gaz, centrale à vapeur, réfrigérateur)

Comme indiqué en introduction du cours, nous jugeons pédagogiquement préférable de minimiser le recours aux équations tant que la culture de l'apprenant reste limitée. Nous nous contenterons donc de présenter quelques équations dans les modules Diapason lorsqu'elles sont suffisamment simples pour être utiles à la compréhension, mais vous n'aurez pas à les mettre en œuvre vous-mêmes, Thermoptim le faisant implicitement à votre place. Toutefois, le premier exercice sur les turbines à gaz (modèle à air parfait) étant l'un des rares à pouvoir être traité aussi bien analytiquement qu'avec le progiciel, une comparaison est faite entre les deux approches.

Rappels des bases

Etant donné que cet enseignement relève du second cycle universitaire, voire du troisième pour certains aspects abordés dans la troisième étape, il 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 familiariser 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 trois exemples de construction pas à pas de modèles (turbines à gaz, cycle de centrale à vapeur, machine de réfrigération à compression), qui vous permettront de prendre en mains l'outil.

Démarche méthodologique

Pour tirer parti du potentiel de simulateurs comme Thermoptim en réalisant des modélisations fiables de systèmes complexes, il faut adopter de bonnes méthodologies de construction et de vérification des modèles, du type de celles qui sont présentées dans la section Modélisation de systèmes simples et complexes.

Par ailleurs, en matière d'étude des cycles, les comparaisons avec le cycle de Carnot permettent d'effectuer des analyses qualitatives intéressantes portant sur la forme du cycle et sur la nature des irréversibilités rencontrées.

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 modules, 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, au moins sur le plan qualitatif. 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 le cycle d'une turbine à gaz simplifiée et celui des centrales à vapeur.

Dans un second temps, l'étude des combustions vous donnera accès aux turbines à gaz réelles, et celle des détentes isenthalpiques sans travail aux machines de réfrigération.

Enfin, vous aborderez l'étude des moteurs alternatifs à combustion interne (diesel et essence), mais uniquement sous l'angle technologique, leur modélisation, beaucoup plus difficile que celle des autres cycles, n'étant effectuée que dans la seconde étape.

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.

Comme indiqué dans la section précédente relative aux technologies, la progression proposée est la suivante :

  • turbine à gaz simplifiée

  • centrale à vapeur

  • turbine à gaz avec combustion

  • machine de réfrigération à compression

Compléments

Les modules ExpliSite vous proposent des explorations virtuelles guidées de ces trois exemples de base, avec des liens vers des explications théoriques, technologiques, méthodologiques... Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond précisément aux connaissances qui ont été introduites au cours de cette première étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulations, des demandes d'extraction d'informations qualitatives ou quantitatives pour renseigner des formulaires, répondre à des questions, effectuer des calculs de bilans…

Nous vous conseillons donc, si vous avez le temps, d'effectuer, pour chaque exemple, un complément d'activité en suivant le niveau 1 de ces modules.

Module

contenu

étapes

durée de la sonorisation

Généralités, utilisation de Thermoptim

S01

Introduction, principes pédagogiques

3

3 mn 40 s

S07_init

Présentation initiale de Thermoptim

22

11 mn

S07

Présentation de Thermoptim

39

16 mn

Bases de thermodynamique

S02

Energies mises en jeu (travail et chaleur), premier principe

11

4 mn

S03

Deuxième principe, irréversibilités

7

4 mn

S04

Propriétés des gaz idéaux, diagramme (T, s)

16

15 mn

ChgEtat

Changements d'état de l'eau, fusion, vaporisation

6

1 mn 30 s

S04a

Propriétés des corps, diagrammes usuels

22

18 mn

S05

Diagrammes des vapeurs

29

23 mn

S09

Généralités sur les cycles

13

13 mn

Thermodynamique et technologie des composants

S10

Chauffage, refroidissement de fluides

5

1 mn 35 s

S11

Compression, détente avec travail

16

5 mn 45 s

S12

Technologie des compresseurs volumétriques

24

16 mn

S13

Technologie des turbocompresseurs et des turbines

27

19 mn

Turbines à gaz 1

S20

Technologie des turbines à gaz (TAG)

30

18 mn

S21

Exercice TAG (air parfait)

29

12 mn 35 s

Combustion

S15

Thermodynamique de la combustion

16

9 mn 50 s

S16

Technologie des chambres de combustion et des chaudières

9

4 mn

Turbines à gaz et turbomoteurs

S22

Exercice TAG (gaz réel)

5

2 mn 30 s

S20_aero

Turbomoteurs et moteurs-fusée

27

16 mn

Centrales à vapeur

S25

Technologie des centrales à vapeur

23

21 mn 20 s

S26

Centrale à vapeur simple de 300 MW

27

12 mn 35 s

Machines de réfrigération

S30

Technologie des machines frigorifiques et pompes à chaleur

25

19 mn 30 s

S31

Exercice groupe refroidisseur d'eau

27

12 mn 35 s

S32

Exercice bilan exergétique groupe refroidisseur d'eau

9

6 mn 40 s

Moteurs alternatifs à combustion interne

S35

Technologie des moteurs alternatifs à combustion interne (MACI)

37

22 mn 10 s

S35_PBV

Système piston-bielle-vilebrequin

11

3 mn 20 s

S35_CDS

Commande des soupapes

13

4 mn 10 s

S35_4t2t

Moteurs à 4 et 2 temps

14

4 mn 30 s

S36

Performances et cycles des MACI

23

15 mn 30 s

S37

Réduction des émissions de polluants des MACI

15

8 mn 25 s

  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).

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