Pourquoi abandonner qf ? Nouvelle approche de l'irréversibilité en thermodynamique industrielle. Ressources Thermoptim pour les professeurs de CPGE PT

Last modified: 01/06/2010 04:28 AM

Contribution de Jean-Noël Beury (jnbeury@laposte.net), professeur en CPGE PCSI-SI au Lycée G.Eiffel de Bordeaux

Je travaille depuis plusieurs années à l’enseignement de la thermodynamique industrielle. La méthode actuellement enseignée en thermodynamique industrielle pour prendre en compte les irréversibilités dans un système est basée sur des hypothèses implicites qui sont en contradiction avec le premier principe. Je montre dans l’article qui suit les incohérences de cette méthode et propose une nouvelle approche de l’étude des systèmes ouverts en se recentrant sur les fondamentaux de la thermodynamique. Cette méthode est entièrement conforme aux nouveaux programmes de PT et peut être appliquée dans les écoles d’ingénieurs, BTS, IUT…

L’article se décline en deux versions :

version pour les Classes Préparatoires PT : (parution en novembre 2009 - Cahier enseignement supérieur dans le Bulletin de l'union des professeurs de physique et de chimie - novembre 2009) : Article « Nouvelle approche de l’étude thermodynamique des systèmes ouverts en PT »
version pour les écoles d’ingénieurs, BTS, IUT : Article « Pourquoi abandonner qf ? Nouvelle approche de l’irréversibilité en thermodynamique technique »

Cette réflexion m’a conduit à réaliser un ouvrage de thermodynamique industrielle destiné tout particulièrement aux étudiants et aux professeurs de CPGE PT. Cet ouvrage s’insère dans le TOUT EN UN PT qui est paru aux éditions Dunod (http://www.dunod.com/livre-dunod-9782100530571-physique-tout-en-un-pt-pt.html) en juillet 2009. Il peut intéresser également les professeurs et élèves en écoles d’ingénieurs, BTS et IUT.

La totalité du programme de thermodynamique PT est traitée en détail : différents types de compresseurs, turbine, tuyère, détente de Joule-Thomson ou laminage, systèmes ouverts à plusieurs entrées et plusieurs sorties, échangeur thermique, soutirage… avec de nombreux exercices, problèmes de concours corrigés et applications industrielles (cogénération, centrale nucléaire…), contraintes environnementales liées au réchauffement climatique, exercices utilisant le logiciel Thermoptim.

Suite à la demande de nombreux enseignants, toutes les ressources de l’ouvrage utilisant le logiciel Thermoptim sont disponibles ci-dessous. Les enseignants peuvent donc librement utiliser les énoncés, les modifier pour les utiliser avec les élèves. Comme dans l’ouvrage, les corrections sont consultables sans restriction. Par contre, les fichiers Thermoptim sont en accès protégé afin qu’il reste un travail à faire par les élèves et qu’ils ne se contentent pas d’ouvrir simplement le fichier zippé.

Si vous désirez avoir accès aux fichiers Thermoptim, veuillez remplir le formulaire d'inscription. Nous vous contacterons pour vérifier vos qualités, puis nous vous fournirons un login et un mot de passe.

Thermoptim peut être utilisé en cours, TD, TP, séances d’informatique et en TIPE.

1) Première utilisation de Thermoptim

Cette première séance d’utilisation de Thermoptim avec les élèves décrit brièvement le fonctionnement du logiciel avec comparaison de trois cycles moteurs à vapeur d’eau (corrigé).

2) Cycle avec surchauffe et resurchauffe

Cet extrait de problèmes de concours peut être traité en TD avec les élèves.

La correction de cet exercice est traitée de deux manières :

utilisation et lecture graphique du diagramme de Mollier.
utilisation du logiciel Thermoptim (voir Première utilisation de Thermoptim).

On voit tout l’intérêt de Thermoptim pour l’interprétation des cycles thermodynamiques. La compréhension physique des phénomènes est facilitée.

3) Optimisation d’une centrale nucléaire

Cet exercice permet de faire varier certains paramètres afin d’augmenter l’efficacité du cycle (corrigé).

4) Cogénération

La cogénération consiste à produire simultanément de la chaleur et de l’énergie mécanique, transformée le plus souvent en électricité. Intrinsèquement basée sur les économies d’énergies (récupération de l’énergie thermique non utilisée pour la production d’électricité). La cogénération est utilisée par de nombreuses villes qui ont des besoins de vapeur ou de chaleur. Le remplacement de centrales d’électricité (au charbon par exemple) par des installations de cogénération permet une réduction d’émissions de gaz à effet de serre et participe donc au respect des engagements de Kyoto.

L’Union Européenne considère comme prioritaire la promotion de la cogénération puisqu’elle améliore l’efficacité énergétique.

Nous allons étudier dans cette séance une centrale de cogénération destinée à fournir la chaleur au réseau urbain d’une ville de 30 000 habitants.

La correction de cet exercice est traitée de deux manières :

utilisation de modèles approchés avec application du premier principe pour des systèmes ouverts en régime permanent.
utilisation du logiciel Thermoptim. On a une vision d’ensemble de la centrale de cogénération.

Nous allons voir dans les applications suivantes comment optimiser une partie ou toute la centrale de cogénération.

5) Optimisation turbine à gaz

Cette séance permet de faire varier certains paramètres afin d’augmenter l’efficacité du cycle d’une turbine à gaz (corrigé).

6) Optimisation d’une centrale à vapeur

Cette séance permet de faire varier certains paramètres afin d’augmenter l’efficacité du cycle d’une centrale à vapeur (corrigé).

7) Optimisation centrale de cogénération

Nous allons reprendre la centrale de cogénération étudiée précédemment et voir comment obtenir un rendement proche de 90% !

(corrigé).