Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Deuxième partie du cours 2022 sur les systèmes énergétiques

Présentation générale

Dans cette seconde partie du cours, nous étudions :

  • les 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 ;

  • les cycles récepteurs : installations de réfrigération, dont les cycles à éjecteur, pompes à chaleur, cycle de Brayton inverse, cryogénie

  • les cycles de climatisation

  • les cycles à absorption liquide

Pédagogie mise en œuvre

La première partie du cours, rappelons-le, s'est limitée à l'étude des cycles simples et a introduit les notions essentielles de thermodynamique de manière contextualisée afin de leur donner du sens et de faciliter ainsi leur compréhension par les apprenants.

Une fois ces cycles simples bien compris, il devient possible d'étudier les cycles plus complexes, ce qui est effectué dans les seconde et troisième parties.

Dans cette partie consacrée aux installations thermodynamiques classiques, nous montrons aux apprenants comment ils peuvent utiliser les puissants outils introduits dans la première partie pour améliorer les performances des systèmes simples étudiés précédemment.

Le principe directeur de ces analyses est la réduction des irréversibilités, une attention particulière étant portée à celles qui résultent des écarts de température avec les sources externes et lors des régénérations internes. De plus, l'intérêt des compressions et des détentes étagées est mis en évidence chaque fois que possible.

Dans ce contexte, les analyses exergétiques présentent un grand intérêt, car elles permettent de quantifier les irréversibilités. C'est pourquoi nous présentons de nombreux bilans exergétiques des cycles étudiés, l'accent étant mis sur l'interprétation de leurs résultats plutôt que sur la théorie sous-jacente. Leur obtention est grandement facilitée par l'utilisation des structures productives, de sorte que l'utilisation des bilans exergétiques se fait sans difficulté particulière.

L'utilisation du simulateur se fait essentiellement dans les deuxième et troisième parties sous forme d'une quarantaine d'explorations dirigées de modèles existants.

Pour réduire les difficultés liées à l'utilisation du progiciel, les apprenants ne bâtissent pas par eux-mêmes les modèles, mais explorent et paramètrent des modèles déjà construits.

Le scénario est présenté dans un navigateur particulier capable d'émuler Thermoptim, qui propose différentes activités aux apprenants, comme de retrouver des valeurs dans les écrans du simulateur, le reparamétrer pour effectuer des analyses de sensibilité... Des explications contextuelles leur sont données progressivement.

On s'assure ainsi qu'ils ne perdent pas de temps sur des erreurs de manipulation qui ne présentent pas d'intérêt pédagogique, ce qui est essentiel si on veut que leur travail puisse être réalisé dans le temps imparti. Les risques d'erreur diminuent ainsi considérablement, et, si elles surviennent, les apprenants n'ont qu'à réinitialiser le navigateur en rechargeant les fichiers dont ils disposent.

Ultérieurement, si un apprenant est amené à construire par lui-même des modèles avec Thermoptim, il le fera avec beaucoup plus de facilité s'il a procédé à ces explorations dirigées car il se sera familiarisé avec les écrans du progiciel. Il trouvera toutes les explications nécessaires sur la manière de bâtir des modèles soit dans la documentation du progiciel soit dans les cours en ligne proposés dans le portail Thermoptim-UNIT.

Les différents modules de la deuxième partie sont détaillés dans les pages ci-dessous.

Les modules 5 et 6 traitent des cycles de conditionnement de l'air et des cycles à absorption liquide, désormais classiques, ce qui justifie leur inclusion ici.

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