Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Première partie du cours 2022 sur les systèmes énergétiques

La vidéo d'introduction au MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur présente les technologies mises en œuvre dans les systèmes énergétiques et leurs principaux domaines d'application. Comme elle garde toute sa pertinence pour ce cours, nous l'avons conservée.

Principales technologies mettant en œuvre la conversion thermodynamique de la chaleur

Mise en situation contextuelle

Présentation générale de la première partie

Nous commençons par introduire les concepts essentiels qu'il faut comprendre pour étudier les cycles de trois technologies énergétiques de base : la centrale à vapeur, la turbine à gaz et la machine frigorifique.

L'approche choisie suit une présentation appelée CFER pour Composants, Fonctions et Évolutions de Référence, où nous commençons par décrire les architectures de ces différentes technologies et les solutions technologiques mises en œuvre. Nous montrons ensuite que malgré leur diversité, les composants n'assurent que quatre fonctions principales, correspondant elles-mêmes à trois évolutions de référence subies par les fluides qui les traversent.

Cette analyse, d'abord fonctionnelle, débouche sur la notion essentielle d'évolutions de référence, modèles de comportement des fluides dans les machines, et conduit tout naturellement à l'étude des propriétés de ces fluides.

L'approche est la plus légère possible afin de permettre aux apprenants d'apprendre à modéliser, progressivement et par l'exemple, les technologies de conversion de la chaleur.

Nous montrons en particulier que l'on peut présenter l'essentiel des concepts sans utiliser une fonction d'état qui peut être difficile à bien comprendre, l'entropie.

Après avoir introduit quelques notions essentielles de thermodynamique, les échanges énergétiques d'un système avec son environnement sont analysés et le premier principe de la thermodynamique est présenté.

La représentation des cycles dans le diagramme (h, ln (P)) permet de visualiser les phénomènes physiques en jeu et les quelques évolutions de référence subies par les fluides de travail.

La manière dont ces cycles peuvent être modélisés avec le progiciel Thermoptim fait l'objet d'explorations guidées de modèles préconstruits.

Une fois que les apprenants ont ainsi découvert les cycles élémentaires et ont appris comment ils peuvent être calculés et représentés dans le diagramme (h, ln(P)), nous leur fournissons des compléments théoriques, méthodologiques et technologiques qui seront utilisés lors des études de cycles plus complexes présentés dans les parties 2 et 3.

Les compléments théoriques concernent la combustion, les échangeurs de chaleur, l'entropie et l'exergie.

Les compléments méthodologiques sont l'occasion de présenter deux méthodes puissantes développées au cours des dernières décennies, la méthode du pincement et l'établissement de bilans exergétiques. Ici aussi, notre approche contraste avec celles qui sont habituellement utilisées. L'utilisation de structures productives permet en effet d'automatiser très largement la construction de ces bilans exergétiques, limitant ainsi considérablement la difficulté de l'exercice et les risques d'erreur.

Les compléments technologiques concernent les composants des installations à vapeur : chaudières, générateurs de vapeur, turbines à vapeur et tours de refroidissement.

Les apprenants utilisent ensuite ce savoir dans la seconde partie pour étudier les cycles moteurs et récepteurs classiques :

  • Cycles moteurs : variantes des centrales à vapeur et des turbines à gaz, moteurs alternatifs à combustion interne à essence, à gaz et diesel, propulsion aéronautique, cycles combinés, installations de cogénération ;

  • Cycles récepteurs : pompes à chaleur, cycle de Brayton inverse, cryogénie, cycles à éjecteur

  • Cycles de climatisation

  • Cycles à absorption liquide

Dans la troisième partie, ils étudient les cycles innovants à faible impact environnemental :

  • Cycles de turbines à gaz avancés

  • Cycles à faibles émissions de CO2

  • Cycles de conversion thermodynamique des énergies renouvelables (ENR)

  • Évaporation, compression mécanique de vapeur, séchage

  • Convertisseurs électrochimiques

Les différents modules de la première partie du cours sont détaillés dans les pages ci-dessous.

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