Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Etape 1 cours auto-formation aux systèmes énergétiques

RemarqueSystèmes énergétiques en ligne

Acquisition des concepts et des outils (première étape)

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 oeuvre 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

Étape 1 cours auto-formation aux systèmes énergétiques
  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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