La troisième partie de ce guide est consacrée à la présentation d'une série d'activités pédagogiques destinées à la consolidation des notions présentées dans la seconde partie.

 

Les élèves peuvent en particulier consulter utilement la page du portail qui explique la démarche générale de modélisation que Thermoptim permet d'adopter. Si, lors de l''étape d'initiation, l'enseignant a privilégié l'approche de construction des cycles pas à pas en utilisant le calculateur-inverseur des propriétés des fluides, il peut être judicieux de faire construire aux élèves les cycles de base en utilisant les guides de prise en mains de Thermoptim ou les séances Diapason correspondantes, afin qu'ils comprennent bien, maintenant qu'ils ne sont plus débutants, l'intérêt d'utiliser le simulateur pour bâtir des cycles.

 

De nombreuses activités peuvent être menées à ce stade. Elles peuvent porter :

• sur l'amélioration des cycles, la comparaison avec le cycle de Carnot direct ou inverse permettant d'identifier les composants dans lesquels les écarts sont les plus importants. La deuxième partie de la note de présentation allégée des cycles de base donne quelques exemples ; ;
• sur la maîtrise de Thermoptim en tant qu'outil de modélisation et de simulation ;
• sur le dimensionnement des échangeurs de chaleur, qui jouent souvent un rôle critique dans les performances des cycles, et que les élèves ont généralement du mal à bien comprendre.

 

C'est aussi à ce stade qu'il peut être intéressant de souligner aux élèves les similitudes qui existent sur le plan thermodynamique entre des technologies aussi différentes que celles mises en oeuvre dans les exemples de base présentés lors des activités d'initiation. Ces réflexions, qui débouchent tout naturellement sur les notions d'analyse système ou d'analyse fonctionnelle, permettent de généraliser les démarches introduites précédemment et de préparer les élèves à des études de cycles plus complexes qui feront l'objet d'approfondissements ultérieurs.

 

Parmi les ressources disponibles pour cette phase de consolidation, on peut citer de nombreux exercices, une partie des fiches thématiques et des fiches-guides de TD, et certains guides méthodologiques.

 

Les scénarios pédagogiques qui peuvent être mis en oeuvre vis à vis des élèves sont ici du type S1 à S4.

 

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1 Exercices

Tout d'abord, quand les cycles de base étudiés, des exercices permettent de développer la capacité de l'élève à bien comprendre ces cycles et à les modéliser avec Thermoptim. Les énoncés étant très succincts, le schéma de l'installation est fourni dans chaque cas. Les corrigés sont accessibles aux enseignants authentifiés. Une fois le modèle établi, des études de sensibilité peuvent être effectuées pour analyser l'influence des différents paramètres sur les performances des cycles.

 

Ces exercices peuvent être étudiés en se référant aux fiches thématiques correspondantes. Les études des cycles à vapeur à prélèvement ou les cycles de réfrigération bi-étagés conduisent à introduire des nœuds, dont le paramétrage doit être fait avec soin. Alors que dans la phase d'acquisition des bases les cycles ne mettaient en jeu qu'un seul circuit et que donc la propagation des points et du corps d'un composant amont à un composant aval se faisait automatiquement, ce n'est plus nécessairement le cas dans les mélangeurs et séparateurs, ce qui impose une vigilance nouvelle à laquelle les élèves ne sont pas habitués. Ce ne sont que des petites difficultés, mais il est préférable qu'elles soient bien expliquées aux élèves.

 

La séance Diapason S07_trucs fournit une série de trucs et astuces pour faciliter la modélisation avec Thermoptim, en particulier sur ces questions.

 

Les exercices relatifs aux cycles étudiés précédemment sont les suivants :

• Exercices sur les centrales à vapeur : cycle simple, cycle à prélèvement et réchauffe,cycle supercritique, cycle nucléaire REP ;
• Exercices sur les TAG  : turbine à gaz simple, turbine à gaz à cycle fermé, turbine à gaz à régénération, turbine à gaz à refroidissement intermédiaire, turbine à gaz à combustion séquentielle, turbine à gaz biétagée, turbine à gaz à injection de vapeur, turbine à gaz réfrigérée ;
• Exercices sur les installations de réfrigération à compression de vapeur : cycle frigorifique simple, cycle avec surchauffe et sous-refroidissement, cycle avec échangeur, cycle frigorifique bi-étagé, cycle à injection totale, cycle à injection partielle, cycle à échangeur moyenne pression, cycle de pompe à chaleur.

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2 Echangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur constituent souvent un des sujets que les élèves ont le plus de difficulté à bien comprendre et qui mérite donc d'être traité avec un grand soin. C'est pour cette raison qu'une section particulière leur est consacrée dans ces activités de consolidation.

 

La fiche thématique sur les échangeurs permet d'introduire les principales notions à connaître, et l'exercice sur la turbine à gaz à régénération fournit un exemple à la fois assez simple et intéressant pour illustrer leur fonctionnement et leur rôle critique dans un cycle.

 

Cet exercice présente de plus l'avantage de permettre une réflexion sur l'influence qu'ont le rapport de compression et la température d'entrée turbine sur les performances de la turbine à gaz à régénération. Il montre que cette configuration ne permet d'améliorer le cycle que dans certaines conditions, qui ne sont pas toujours vérifiées. L'étude des cycles combinés qui fait l'objet de la section suivante trouve alors directement sa place comme solution alternative.

 

Un autre exemple relativement simple à étudier est celui du condenseur d'un cycle de centrale à vapeur, traité à la fin du guide de prise en mains correspondant.

 

Ensuite pourront être étudiés des échangeurs plus complexes comme la chaudière d'un cycle à vapeur ou le condenseur d'un cycle frigorifique.

 

Le fil d'Ariane sur les échangeurs de chaleur fait partie des activités d'approfondissement de la quatrième partie de ce guide. Il montre comment concrètement effectuer des calculs de dimensionnement technologique et de comportement en régime non-nominal.

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3 Cycles combinés à un niveau de pression

 

L'optimisation d'un cycle combiné à un niveau de pression (figure ci-dessous) est un exercice particulièrement intéressant car il permet de réfléchir à de nombreuses notions tout en restant d'un niveau de complexité tout à fait abordable, ce qui justifie sa présence dans les activités de consolidation.

 

 

Etant donné qu'il met en jeu des échangeurs de chaleur assurant le couplage thermique entre les gaz d'échappement d'une turbine à gaz et un cycle à vapeur, il est préférable que les élèves aient auparavant effectué quelques modélisations mettant en jeu des échangeurs, parmi celles proposées dans la section précédente.

 

Pour un cycle combiné, une attention particulière doit être apportée au rôle du générateur de vapeur-récupérateur, qui doit être modélisé comme un triple échangeur en série, sans quoi un croisement de température peut apparaître en son sein.

 

Alors que le paramétrage d'un échangeur simple constitue un exercice à cinq degrés de liberté, celui d'un tel générateur de vapeur est beaucoup plus contraint, car ses trois éléments ne peuvent être paramétrés indépendamment les uns des autres, ce que certains élèves peuvent avoir des difficultés à bien comprendre.

 

Le pincement, qui apparaît en sortie d'économiseur / entrée de vaporiseur, doit être déterminé comme résultat du dimensionnement de l'échangeur, et non comme une donnée d'entrée de ce paramétrage.

 

La recherche du rapport des débits qui traversent la turbine à gaz et le cycle à vapeur ne peut se faire que par approximations successives, ce qui conduit à effectuer de nombreux recalculs du modèle.

 

La fiche-thématique sur les cycles combinés et la séance Diapason S41 traitent de ce sujet.

 

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4 Fiches thématiques

Rappelons que les fiches thématiques synthétiques d'une part constituent une introduction sommaire à la discipline, et d'autre part renvoient sur différentes activités pédagogiques (cours en ligne, exercices...). Les fiches thématiques des systèmes suivants peuvent être étudiées à ce stade :

 

Turbines à gaz

Centrales à vapeur

Moteurs alternatifs à combustion interne

Installations de réfrigération à compression de vapeur

Cycles combinés

Installations de cogénération

Piles à combustible

Cycle de turbine à gaz à air humide HAT

Cycle de Kalina

Cycles au CO2 supercritique pour réacteurs nucléaires HTR

Cycles à oxycombustion

Cycle de Brayton inverse

Cycles nucléaires à haute température (HTR)

Cryogénie

Cycles de réfrigération à absorption

Cycles de climatisation

Il peut être utile pour l'étude de ces cycles, de se reporter aux séances Diapason sur le traitement d'air et la climatisation TACLIM et suivantes préparées par P. Chantrenne.

Centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP)

Cycles à vapeur supercritiques

Evapoconcentration et séchage par air chaud

Cycle de Uehara

Installations de géothermie

Tours de refroidissement

 

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5 Utilisation des classes externes

C'est aussi lors de cette deuxième grande étape de leur formation que les élèves peuvent être amenés à utiliser des classes externes, qui permettent d'étendre le noyau du progiciel en proposant des modèles de corps ou de composants complémentaires. Cette utilisation ne présente aucune difficulté particulière, mais doit être expliquée.

 

Le début de la séance Diapason S07_ext explique comment procéder pour paramétrer un composant externe et configurer le fichier extUser.zip où la classe externe doit se trouver pour que Thermoptim la reconnaisse.

 

De nombreuses fiches-guides de TD font appel à de telles classes externes.

 

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6 Fiches-guides de TD

Les fiches-guides de TD suivantes peuvent être étudiées à ce stade.

 

FG1 Centrale solaire SEGS

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide permet d'étudier le fonctionnement des centrales électriques solaires et de montrer comment on peut les modéliser de manière réaliste avec Thermoptim. Le TD est centré sur la modélisation d'une centrale solaire du type SEGS mise au point par la société Luz, représentée comme une simple variante d'un cycle de Rankine, où la chaudière est remplacée par un générateur de vapeur dont le caloporteur est réchauffé par le champ de capteurs.

Elle fait appel à deux classes externes, "solar concentrator" et "Dowtherm A".

FG2 Turboréacteurs 

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide traite des turboréacteurs et montre aux élèves comment construire des modèles de turboréacteurs de complexité croissante (simple flux au point fixe au sol avec une variante d'une turbine à gaz munie d'une tuyère, simple flux en vol avec diffuseur d'entrée, configuration à double flux).

Elle fait appel à deux composants externes, "diffuser", "nozzle" et au pilote "thrust".

FG3 Etang solaire

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide traite des systèmes de génération d’électricité à partir d’un étang solaire à gradient inverse.

FG5 OTEC fermé, OTEC ouvert

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide permet aux élèves d'étudier le fonctionnement de centrales électriques utilisant le gradient thermique des océans (OTEC pour Ocean Thermal Energy Conversion). Deux variantes sont étudiées : la plus simple correspond à un cycle fermé, et la seconde à un cycle ouvert qui présente l'avantage de produire aussi de l'eau potable.

FG6 Tours de refroidissement

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide est centrée sur la modélisation des tours de refroidissement, son objectif étant de montrer le gain de COP apporté à une machine frigorifique industrielle par l'utilisation d'une telle tour à la place d'un refroidissement par air du condenseur.

Elle fait appel à deux classes externes, "DirectCoolingTowerInlet" et "DirectCoolingTower".

FG8 Emissions de CO2 dans les cycles à combustion

Sujet et corrigé

Cette fiche-guide explique comment calculer les émissions de carbone et de gaz carbonique pour les cycles mettant en jeu des combustions.

Elle fait appel à une classe externe, "CO2 emissions".

FG9 Centrales électriques géothermiques

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide traite des systèmes de génération d’électricité à partir de chaleur géothermique.

FG10 Cycles de réfrigération à éjecteur

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide traite des cycles de réfrigération à éjecteur.

FG14 Climatisation

Sujet seul

Complet avec corrigé

Cette fiche-guide traite de deux cycles de climatisation (un pour l'été et un pour l'hiver).

I peut être utile pour l'étude de ces cycles, de se reporter aux séances Diapason sur le traitement d'air et la climatisation TACLIM et suivantes préparées par P. Chantrenne.

FG15 Modélisation d'un palier de centrale nucléaire N4 pour réacteur REP

Sujet et corrigé

Cette fiche-guide permet d'étudier un circuit secondaire de centrale nucléaire du type Réacteur à Eau Pressurisée : l'objectif est de le modéliser sous Thermoptim, de calculer son bilan énergétique, et de réaliser quelques analyses de sensibilité sur des paramètres modifiables

FG16 Etude des performances d'une turbine à gaz en fonction des paramètres de fonctionnement

Sujet seul

Complet avec corrigé

L'objectif de ce travail est de faire découvrir aux élèves la technologie et le fonctionnement d'une turbine à gaz ainsi que les paramètres clés de son fonctionnement. Auteur : Patrice NORTIER.

FG17 Installations de cogénération à moteur à gaz

Sujet et corrigé

L'objectif de ce TD est l'étude et la modélisation sous Thermoptim d'installations de cogénération existantes, et l'analyse de l'influence des différents paramètres sur leurs performances.

FG18 Installations de cogénération à turbine à gaz

Sujet et corrigé

L'objectif de ce TD est l'étude et la modélisation sous Thermoptim d'installations de cogénération existantes, et l'analyse de l'influence des différents paramètres sur leurs performances.

FG19 Production d'énergie pour l'augmentation de capacité d'une papeterie

Sujet seul

Complet avec corrigé

L'objectif de ce travail est de faire découvrir aux élèves la technologie et le fonctionnement d'installations de production d'énergie pour une papeterie, de leur faire étudier plusieurs options techniques et les comparer économiquement. Auteur : Patrice NORTIER.

 

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7 Guides méthodologiques

7.1 Analyse qualitative des cycles, comparaison avec le cycle de Carnot

L'ensemble des activités de comparaison des cycles de base avec celui de Carnot correspond à des réflexions qui trouvent pleinement leur place à ce stade de la formation des élèves.

 

7.2 Démarche méthodologique générale

Au cours de la première étape de leur formation, seules quelques généralités sur les cycles ont été introduites. Comme nous l'avons dit en introduction, elles peuvent être complétées par une réflexion plus approfondie sur la démarche méthodologique générale mise en oeuvre dans le portail.

 

C'est notamment l'occasion de faire prendre conscience aux élèves que les technologies énergétiques peuvent être considérées comme des systèmes associant un petit nombre de composants. L'analyse fonctionnelle et l'analyse système constituent ainsi des démarches particulièrement fécondes quand il s'agit d'étudier ces technologies.

 

C'est ainsi qu'un moteur fait appel séquentiellement à trois fonctions : comprimer, chauffer, détendre, puis refroidir, tandis qu'un cycle inverse utilise bien les mêmes, mais dans l'ordre contraire : comprimer, refroidir, détendre et chauffer. Ces réflexions nourriront leur compréhension des cycles complexes et leur permettront de les aborder avec une compréhension d'ensemble.

 

7.3 Indicateurs environnementaux

Les indicateurs environnementaux sont des critères de plus en plus souvent utilisés pour qualifier la performance des systèmes énergétiques, qui peuvent sans difficulté être introduits à ce stade de la formation des élèves.

 

7.4 Simulation de systèmes à énergie solaire

Les fiches de ce guide méthodologique portent essentiellement sur la manière de prendre en compte la variation de la ressource solaire, problématique qui intéresse beaucoup d'élèves, même si elle ne relève pas à proprement parler de la thermodynamique appliquée.

 

7.5 Analyses exergétiques

Il est aussi possible, à ce stade de la formation, d'introduire la notion d'exergie et de faire effectuer aux élèves des calculs de bilans exergétiques simples, qui permettent de quantifier les irréversibilités que les comparaisons avec le cycle de Carnot permettent d'analyser uniquement qualitativement.

 

La séance Diapason S06 explique comment procéder.

 

Les diagrammes exergétiques présentent eux aussi un grand intérêt. On représente généralement l'exergie en ordonnée avec, en abscisse, soit l'enthalpie, soit l'entropie.

 

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Les paragraphes qui suivent présentent les tracés, dans les diagrammes exergétiques, des cycles étudiés dans la seconde partie. Sur les diagrammes exergétiques des figures ci-dessous, pour augmenter la lisibilité, on n'a fait apparaître que les isobares (en bleu), les isothermes (en rouge) et les isotitres (en magenta).

 

 

7.5.1 Représentation dans les diagrammes exergétiques du cycle à vapeur

 

Les points 1 et 2 représentant la compression à l'état liquide sont quasiment superposés, et l'échauffement à l'état liquide presque confondu avec la courbe de saturation liquide. La vaporisation se fait selon un segment de droite de pente θ =1 - T0/T dans le diagramme exergétique (h, exh), et (T - T0) dans le diagramme (s, exh).</sc:para>

Le point 3 représentant la fin de la surchauffe isobare est bien situé au maximum de l'isotherme T = 560 °C, ce qui montre immédiatement que la pression et la température ont été judicieusement choisies pour maximiser l'exergie de la vapeur.

 

La détente irréversible se traduit par une augmentation de l'entropie, le point 4 étant situé dans la zone d'équilibre liquide-vapeur. Les irréversibilités de détente sont parfaitement visibles dans le diagramme exergétique entropique (s, exh).

 

La centrale à vapeur est une machine qui reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau de la chaudière, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau de la pompe. Cette exergie est pour l'essentiel convertie sous forme mécanique dans la turbine et pour partie dissipée dans le condenseur.

 

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7.5.2 Représentation dans les diagrammes exergétiques du cycle frigorifique

 

Pour un système multitherme en régime permanent, échangeant de la chaleur avec n sources qk à la température Tk l'équation exergétique peut s'exprimer sous la forme :

 

.

 

Ecrite pour l'un des échangeurs (wt = 0), cette relation indique que la variation d'exergie Delta exh,du fluide à travers l'échangeur est égale à l'exergie-chaleur reçue par le fluide moins l'exergie Delta exhi détruite du fait des irréversibilités internes et externes.

 

Sur les diagrammes exergétiques du cycle frigorifique ci-dessous, on voit clairement que l'exergie du R134a diminue aussi bien dans le condenseur que dans l'évaporateur. Dans le premier, l'exergie-chaleur est négative car la température du fluide est supérieure à celle de l'environnement (facteur de Carnot positif) et la chaleur fournie par le système (et donc de signe négatif), et dans le second parce que la température du fluide est inférieure à celle de l'environnement (facteur de Carnot négatif) et la chaleur reçue par le système (et donc de signe positif). La détente isenthalpique correspond, elle aussi, à une chute d'exergie.

  

 

 

Les deux échangeurs et le détendeur sont des composants où l'exergie du fluide diminue. Pour fermer le cycle, il faut nécessairement fournir au fluide une exergie correspondant à celle qu'il a perdue. C'est le rôle du compresseur, et les diagrammes exergétiques permettent de bien comprendre la nécessité de cet apport exergétique.

 

Ces deux types de diagrammes, et notamment le (s, exh), nous paraissent particulièrement faciles à interpréter et très riches d'enseignements pour une analyse exergétique des cycles.

 

On notera toutefois qu'ils ne visualisent que les variations d'exergie du fluide. Ils ne permettent donc pas d'estimer les irréversibilités dues aux différences de température avec les sources externes, qui sont prises en compte dans les bilans exergétiques lors du calcul des exergies-chaleurs.