Dans ce septième module, des compléments sur l'entropie et sur l'exergie sont présentés, pour d'une part vous permettre de faire le lien avec les présentations classiques des cycles qui sont fournies dans la littérature, et d'autre part vous apprendre à dresser et utiliser les bilans exergétiques.

Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 20 mn de vidéos.

Introduction de l'entropie

Une présentation du deuxième principe de la thermodynamique est donnée dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Diagrammes entropiques

Exercices d'auto-évaluation

Placement sur image

• Zones d'un diagramme entropique (T,s) d'une vapeur condensable

• Courbes d'un diagramme entropique (T,s) d'une vapeur condensable

• Placement de points dans un diagramme entropique (T,s) de vapeur condensable

• Placement de points dans un diagramme entropique (T,s) de gaz idéal

Remarques

On appelle approches second principe les méthodologies d'analyse des cycles énergétiques basées sur le second principe, en opposition aux approches premier principe, qui consistent essentiellement à dresser des bilans énergétiques ou enthalpiques.

Leur mise en œuvre est généralement plus difficile car les bilans d'entropie ne sont pas conservatifs, à la différence des bilans enthalpiques. On peut donc moins facilement vérifier leur cohérence, et des erreurs sont fréquentes. Nous expliquerons dans le troisième thème de ce module comment établir des bilans exergétiques.

Vous trouverez des compléments sur les approches second principe dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Cycle à vapeur dans le diagramme entropique

Exploration dirigée C-M4-V8

Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V8 Centrale à vapeur dans le diagramme entropique (T, s) et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Exercice d'auto-évaluation

Placement sur image

• Repérage d'un cycle de centrale à vapeur dans un diagramme entropique

Cycle de turbine à gaz dans le diagramme entropique

Exploration dirigée C-M4-V9

Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V9 Turbine à gaz dans le diagramme entropique (T, s) et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Exercice d'auto-évaluation

Placement sur image

• Repérage d'un cycle de turbine à gaz dans un diagramme entropique

Cycle de réfrigération dans le diagramme entropique

Vidéo C-M4-V10 : Cycle de réfrigération dans le diagramme entropique

Exploration dirigée C-M4-V10

Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V10 Cycle de réfrigération dans le diagramme entropique (T, s) et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Exercice d'auto-évaluation

Placement sur image

• Repérage d'un cycle de réfrigération dans un diagramme entropique

Pour un système ouvert, on appelle exergie la fonction xh = h - T0s, T0 étant une température de référence, généralement la température de l'environnement.

L'exergie dépend à la fois de l'état du système et de la composition chimique de ses éléments. Elle diffère de l'énergie en ce sens que cette dernière se conserve tandis que de l'exergie est détruite chaque fois que des irréversibilités existent. Étant donné qu'elle n'est pas une grandeur conservative, les équations de bilan habituelles ne peuvent pas être appliquées et une démarche spécifique doit être utilisée.

L'intérêt principal des bilans exergétiques est de permettre d'étudier la répartition des irréversibilités dans un système, et de mettre ainsi en évidence la contribution relative de chacun des composants aux pertes globales. La valeur exacte des exergies mises en jeu importe donc généralement peu. Cela justifie que certaines imprécisions soient tolérées dans leur évaluation, qui, comme nous le verrons plus loin, pose diverses difficultés méthodologiques.

La séance Diapason S06 commence par une présentation de l'exergie et de son intérêt pour quantifier les irréversibilités qui prennent place dans un système énergétique.

Elle montre ensuite comment peut être établi un bilan exergétique. Plusieurs exemples rassemblés dans un tableur sont présentés.

Même à l'aide d'un tableur, construire le bilan exergétique d'un système quelque peu compliqué peut cependant s'avérer difficile en pratique, et cela pour deux raisons principales :

• Premièrement, les bilans exergétiques n'étant pas conservatifs, il n'y a pas de moyen simple de vérifier la cohérence du résultat ;

• Deuxièmement, comme de nombreux réglages spécifiques doivent être effectués dans le tableur, même si chacun est relativement simple, leur nombre augmente le risque d'erreur.

Il s'avère qu'il est possible d'automatiser le calcul des bilans exergétiques, même pour des systèmes complexes, en introduisant un nouveau type de diagramme appelé par Valero une structure productive (Valero, 2000).

Une structure productive est un graphe des consommations et des productions d'exergie du système étudié. Elle peut être déduite du schéma physique et du paramétrage thermodynamique, auxquels il suffit d'ajouter quelques informations sur les couplages de puissance mécanique, les possibilités de valorisation des flux sortants, et les températures des sources extérieures avec lesquelles le système échange de la chaleur.

Une structure productive est composée d'unités productives et dissipatives (UPD), de jonctions et de dérivations.

La séance Diapason Génération automatique de structures productives et établissement de bilans exergétiques dans Thermoptim présente le sujet de manière assez complète.

Explorations dirigées

BESP-1 : Bilan exergétique et structure productive d'un cycle à vapeur simple

Dans cette exploration dirigée nous montrons comment la structure productive d'un cycle de centrale à vapeur peut être construite et comment elle permet de calculer le bilan exergétique du système modélisé.

BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles

Dans cette exploration dirigée qui fait suite à l'exploration BESP-1, nous allons passer en revue les structures productives associées à différents cycles qui ont fait l'objet d'explorations dirigées, en vue d'établir leurs bilans exergétiques :

• la turbine à gaz à régénération (EDC-M2-V2)

• la machine de réfrigération (EDS-M3-V9)

• le cycle à vapeur avec resurchauffe et prélèvement (EDC-M1-V5)

• le cycle combiné à un niveau de pression (EDC-M3-V1)