MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur - Fun-Mooc

1
08/03/2017
MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur /
Modéliser et Simuler
Conversion Thermodynamique de la Chaleur est un parcours de deux MOOC qui traitent
des systèmes énergétiques permettant soit de convertir de la chaleur en travail
mécanique, soit d’extraire de la chaleur à basse température grâce à un apport d’énergie
mécanique. Ces technologies sont aussi appelées machines thermiques.
Compte tenu du champ couvert, le MOOC est décomposé en deux parties, Modéliser et
Simuler (CTC-MS) et Cycles Classiques et Innovants (CTC-CCI).
Dans le MOOC Modéliser et Simuler, les apprenants commencent par acquérir les bases
de la modélisation des systèmes énergétiques simples (centrales à vapeur, turbines à gaz,
machines de réfrigération) et apprennent à en paramétrer les modèles dans le simulateur
Thermoptim.
Ils utilisent ensuite ce savoir dans le MOOC Cycles Classiques et Innovants pour étudier
les cycles moteurs et récepteurs classiques et les cycles Innovants à faible impact
environnemental :
- Cycles moteurs : moteurs alternatifs à combustion interne à essence, à gaz et
diesel, propulsion aéronautique, cycles combinés, installations de cogénération,
cycles à énergie solaire, cycles nucléaires à haute température (HTR), énergie
thermique des mers, installations de géothermie, cycles à oxycombustion,
conversion de la biomasse
- Cycles récepteurs : pompes à chaleur, cycle de Brayton inverse, cryogénie,
cycles à éjecteur
Le MOOC Modéliser et Simuler se limite à l’étude des cycles simples et introduit
également les notions essentielles de thermodynamique de manière contextualisée afin
de leur donner du sens et de faciliter ainsi leur compréhension par les apprenants.
L’utilisation du simulateur trouve naturellement sa place dans ce contexte, dès lors que
les composants qu’il met en œuvre correspondent précisément aux fonctions qui ont été
identifiées précédemment. Les architectures des cycles se construisent en connectant ces
composants dans l’éditeur graphique, leur paramétrage s’expliquant très facilement par
comparaison aux évolutions de référence. Les cycles peuvent ensuite être visualisés dans
les diagrammes couplés au simulateur.
Une fois les cycles simples bien compris, il devient possible d’étudier les cycles plus
complexes, ce qui est effectué dans le MOOC Cycles Classiques et Innovants.
Dans ce second MOOC, les apprenants font le lien entre les caractéristiques
technologiques des différents systèmes énergétiques et leurs architectures et voient
comment ils peuvent être modélisés avec un progiciel comme Thermoptim.

Polycopié : MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur / MS
Ils commencent par réfléchir aux pistes d’amélioration possibles des cycles simples
étudiés dans le MOOC Modéliser et Simuler, l’objectif étant d’obtenir les meilleures
performances thermodynamiques possibles.
Le fil directeur qui sous-tend ces analyses est la réduction des irréversibilités, une
attention particulière étant accordée à celles qui proviennent des écarts de température
avec les sources externes et lors des régénérations internes. Par ailleurs, l’intérêt des
compressions et détentes fractionnées est mis en évidence chaque fois que possible.
Dans ces deux MOOC, l’utilisation du simulateur se fait essentiellement 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.
Une cinquantaine d’exercices d’auto-évaluation permettent par ailleurs aux apprenants
de vérifier par eux-mêmes leur compréhension des notions présentées, au fur et à mesure
qu'elles sont introduites.
Ce document est le support de cours ou polycopié du MOOC Modéliser et Simuler. Pour
chacune des 4 semaines, il commence par présenter les objectifs pédagogiques visés,
puis fournit le contenu du cours avec ses illustrations, ainsi que des liens vers les
activités proposées aux apprenants.
Il reprend de larges extraits du livre Systèmes Energétiques publié aux Presses des
Mines, avec leur autorisation.

3
08/03/2017
Semaine 1 : Etude des principales fonctionnalités mises en
jeu dans les technologies énergétiques
Objectifs pédagogiques
La première semaine nous étudions les fonctionnalités mises en jeu dans les technologies
énergétiques.
A partir de l’analyse de l’architecture des systèmes énergétiques simples (centrales à
vapeur, turbines à gaz, machines de réfrigération), nous montrerons qu’un tout petit
nombre de composants sont mis en œuvre :
- les organes permettant de comprimer un fluide, qu’ils soient volumétriques ou
des turbocompresseurs,
- les organes de détente produisant du travail, qui sont généralement des turbines,
- les échangeurs de chaleur, qui sont des dispositifs permettant d’apporter ou
d’extraire de la chaleur par voie thermique
- les chambres de combustion et les chaudières, dans lesquelles on apporte de la
chaleur en brûlant un combustible
- et enfin les organes de détente sans travail comme les détendeurs ou vannes.
Nous étudions ensuite les principes de fonctionnement des composants élémentaires.
Enfin, nous montrons que ces composants assurent en fait quatre fonctions distinctes :
comprimer un fluide, le détendre en produisant du travail, le chauffer ou le refroidir, et
enfin le détendre sans produire de travail.
A la fin de la semaine :
- vous aurez étudié les architectures des cycles simples et saurez identifier leurs
composants
- vous saurez ce qu’est un fluide de travail ou fluide thermodynamique
- vous aurez découvert les principes de fonctionnement de ces composants
- vous serez capables de décrire les quatre fonctions élémentaires mises en jeu
- et enfin vous saurez les repérer sur les schémas des systèmes énergétiques étudiés

Polycopié : MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur / MS
Support de cours
1.1 Notions de fluide de travail et de cycle
Pour planter le décor, nous commencerons ce cours par une présentation rapide et
sommaire de deux technologies de conversion de la chaleur en travail, la centrale à
vapeur et la turbine à gaz, et nous en profiterons pour introduire deux notions que nous
utiliserons sans cesse par la suite, celles de fluide thermodynamique ou fluide de
travail et celle de cycle.
Dans ce cours, nous utiliserons pour illustrer ces technologies des animations et des
illustrations aimablement mises à notre disposition notamment par EDF, la Marine
Nationale et les Techniques de l’Ingénieur, que nous remercions pour cela.
Une centrale à vapeur est un système énergétique qui convertit en électricité la chaleur
dégagée par un combustible. Dans la plupart des pays, une part importante du parc de
centrales électriques est composée de telles installations souvent appelées centrales
thermiques.
Dans le cours, une animation explique schématiquement comment fonctionne une
centrale thermique classique.
La première étape est la combustion : un combustible brûle dans une chaudière en
dégageant de la chaleur
La deuxième étape est le transfert de cette chaleur à de l’eau sous pression qui se
transforme en vapeur.
La troisième étape est la production d’électricité : la vapeur est détendue dans une
turbine qui entraîne un alternateur, lequel produit un courant électrique qui est transporté
par les lignes à haute tension.
La quatrième étape est la condensation en eau de la vapeur qui sort de la turbine. Cette
eau est ensuite remise en pression avant d’être redirigée vers la chaudière.
Intéressons-nous maintenant au fonctionnement d’une turbine à gaz encore appelée
turbine à combustion. Ce type de machine est utilisé pour de nombreuses applications,
comme la production d’électricité ou la propulsion.
Une seconde animation explique schématiquement comment fonctionne une turbine à
gaz à deux arbres qui sert à la production d’électricité ou à l’entraînement d’un arbre
moteur.
De l’air est aspiré sur la gauche de la machine par un compresseur. Un combustible brûle
avec cet air comprimé dans les chambres de combustion, portant les gaz à haute
température.
Ces gaz chauds sont détendus dans une première turbine qui sert à entraîner le
compresseur. Ils entrent ensuite dans une turbine dite libre qui sert à entraîner
l’alternateur ou un arbre moteur, puis sont rejetés dans l'atmosphère sur la droite de la
machine.

5
08/03/2017
Comme dans ces deux exemples, toutes les machines thermiques qui assurent la
conversion de la chaleur en travail ou l’inverse sont parcourues par au moins un fluide
qui subit des évolutions ou transformations diverses, comme des échauffements, des
refroidissements, des compressions ou détentes, et qui échange de l’énergie avec
l’extérieur.
Dans une centrale à vapeur, il s’agit d’eau, dans une turbine à gaz d’air et de gaz brûlés.
Comme nous le verrons plus loin, dans un réfrigérateur il s’agit d’un fluide frigorigène
ou réfrigérant.
De manière générale, ce fluide est appelé fluide thermodynamique ou fluide de
travail.
C’est une notion que nous utiliserons sans cesse par la suite.
On retrouve dans le schéma de la figure 1.1.1 les principaux composants de la centrale à
vapeur :
- La pompe
- La chaudière
- La turbine, généralement couplée à un alternateur
- Et le condenseur
Le fluide de travail traverse
successivement chacun des
composants, pour revenir à son
point de départ.
Dans de nombreux systèmes
énergétiques, comme dans cet
exemple, le fluide subit une série
de transformations qui l'amènent
à se retrouver dans son état initial.
On parle alors de cycle. C’est une
autre notion fondamentale dont
nous parlerons souvent
Le schéma de la figure 1.1.2
montre une turbine à gaz, qui met
en jeu trois composants :
- Le compresseur qui aspire l’air extérieur
- La chambre de combustion, qui produit des gaz brûlés à haute température
- Et la turbine, représentée ici comme un seul élément. Elle est généralement
couplée à un alternateur, et les gaz d'échappement en sortent
Figure 1.1.1 : Centrale à vapeur