Introduction à la seconde partie

La seconde partie de ce guide, la plus importante, est consacrée à la présentation d'une série d'activités pédagogiques d'initiation à la thermodynamique appliquée pouvant être réalisées en utilisant ces ressources, l'objectif étant l'acquisition par l'élève des concepts et des outils. Ces activités seront situées dans la typologie des cinq principaux scénarios identifiés par Competice.

Cette partie présente de manière assez synthétique, sous forme de petits scénarios à l'attention des enseignants, diverses activités portant sur les exemples de base (centrales électriques à vapeur, turbines à gaz, réfrigérateur domestique), avec illustration des tracés des cycles dans les diagrammes thermodynamiques.

Il est bien entendu nécessaire de commencer par effectuer un certain nombre de rappels des bases de thermodynamique, et en particulier des propriétés des fluides, qui doivent être connues avant de pouvoir étudier les systèmes énergétiques. Trois séances Diapason ( S02 , S03 et S04a ) et les fiches de la rubrique Bases de thermodynamique permettent d'effectuer ces rappels et de présenter les diagrammes entropique (T, s) et des frigoristes (h, ln(P)), qui sont les plus utilisés en pratique.

Ensuite, il est souhaitable de présenter aux élèves un certain nombre de généralités sur les cycles, ce que permet de faire la séance Diapason S09 : notion de cycle moteur, récepteur, énergie payante, utile, rendement de cycle....

Les exemples de base qui sont traités dans cette partie correspondent à des systèmes énergétiques simples, mettant en jeu un petit nombre de composants dont il importe de commencer par bien comprendre d'une part le fonctionnement sur le plan phénoménologique, et d'autre part la modélisation au sens du premier principe, ce qui sera effectué dans la première section.

La prise en main du simulateur Thermoptim par les élèves se fait généralement sans aucune difficulté, mais elle est facilitée s'ils commencent par étudier la séance Diapason S07_init, qui introduit les concepts mis en oeuvre dans le progiciel, ou si l'enseignant leur fait lui-même cette présentation.

Pour étudier les exemples de base, deux grandes manières d'opérer peuvent être retenues :

• calculer pas à pas les évolutions subies par le fluide dans chaque composant, en décomposant les différentes étapes suivies, ceci grâce au calculateur présenté section 3.3.2 ou directement à partir des écrans des points de Thermoptim ;
• effectuer directement ces calculs à partir des transfos de Thermoptim.

Si le temps disponible le permet, le premier mode de calcul peut être préférable pour des débutants, car il permet aux élèves de mieux comprendre la thermodynamique sous-jacente. Nous montrerons comment il peut être mis en pratique concrètement. Si le temps est compté, l'utilisation directe de Thermoptim évite d'entrer dans le détail des calculs, mais il y a un risque que les élèves utilisent le simulateur comme un logiciel presse-bouton, sans trop comprendre ce qu'il fait.

Le choix entre ces deux approches dépendra donc du contexte, et notamment de la durée de la formation et du niveau des élèves.

Dans cette seconde partie, nous commencerons par donner quelques informations sur le fonctionnement des composants, puis nous étudierons successivent les cycles :

• des centrales à vapeur ;
• des turbines à gaz ;
• des machines de réfrigération à compression de vapeur.