2 ECTS

Ce cours est accessible à tous les doctorants de Paris Tech sans limitation de nombre.

En général, il est accompagné d'un contrôle de connaissance oral et d'un projet. Le cours peut être proposé à une dizaine de doctorants passant l'examen (oral + projet) synchronisés avec les élèves de l'Ecole des Mines.

  Il peut aussi être proposé de manière indépendante, à une trentaine d'autres doctorants, voire plus, l'évaluation se faisant essentiellement sur projet.

Les élèves intéressés doivent dans ce cas rechercher dans leur encadrement ou leur laboratoire des tuteurs pouvant les encadrer.

Ce cours traite des systèmes énergétiques basés sur la conversion de la chaleur avec un accent particulier sur les principaux types de machines à fluide compressible (compresseurs, moteurs à combustion interne, turbines à gaz, turbines à vapeur, installations frigorifiques, cycles combinés, cogénération).

Son objectif est de vous permettre de comprendre les principes de conception de ces systèmes, d'avoir une vision d'ensemble des différentes technologies utilisables pour leur réalisation, et de vous familiariser avec les méthodes d'analyse classiques et modernes (diagrammes, progiciels, etc.).

Il est subdivisé en trois grandes étapes :

1) l'acquisition des concepts et des outils, consacrée aux rappels de thermodynamique, à l'étude des cycles de base, à la découverte des technologies mises en oeuvre et à l'apprentissage de Thermoptim (environ 12 h de travail, hors rappels et compléments)

A l'issue de cette étape, vous devriez avoir parfaitement mémorisé les savoirs suivants :

• le vocabulaire et les concepts de base de la thermodynamique

• les propriétés thermodynamiques des fluides (sur le plan qualitatif), et leur correspondance dans les différentes zones des diagrammes

• les allures des isovaleurs dans les diagrammes

• le premier principe, les fonctions h, W, Q, travail utile, l'établissement des bilans énergétiques

• l'architecture des exemples de base, leurs ordres de grandeur de dimensionnement

• la forme des cycles de ces exemples, au moins dans les diagrammes (T, s) et (h, log P)

• les écarts (qualitatifs) des cycles des exemples par rapport au cycle de Carnot, c'est-à-dire l’analyse qualitative de leurs sources d'irréversibilité

• les principales contraintes technologiques rencontrées dans les exemples

2) la consolidation des notions vues lors de la première étape, avec des compléments théoriques sur l'exergie et les échangeurs, l'étude des variantes des cycles de base, des cycles combinés et de la cogénération (environ 8h de travail, hors compléments)

A l'issue de cette étape, vous devriez avoir bien compris :

• la typologie et les principes de calcul des composants du noyau de Thermoptim (y compris leurs caractéristiques technologiques)

• pour chaque exemple, l'origine des irréversibilités et les axes d'amélioration

• les principes de calcul des échangeurs, en dimensionnement et en non-nominal

• la forme des cycles des exemples dans les diagrammes (h, s), (xh, h) et (xh, s)

• l'influence des principaux paramètres constructifs sur les performances des principales technologies de conversion de l’énergie (TCE)

• l'influence des principales sollicitations externes sur les performances des principales TCE

• l'impact environnemental des principales TCE

• les principes d'établissement des bilans exergétiques

3) les approfondissements et la mise en application personnelle, donnant lieu à l'étude de cycles novateurs et/ou plus complexes que les précédents ainsi qu'à des réflexions sur les perspectives technologiques, à l'occasion de mini-projets que vous pouvez mener seul ou en groupe (la durée de cette étape dépend beaucoup des activités personnelles sélectionnées)

A l'issue de cette étape, vous devriez avoir acquis les savoir-faire suivants :

• pouvoir paramétrer un modèle relativement simple dans Thermoptim et en calculer les performances

• savoir tracer son cycle dans les diagrammes pertinents et vérifier sa cohérence

• savoir dimensionner un échangeur de chaleur

• savoir rechercher dans la documentation technique les caractéristiques technologiques des composants monofonctionnels

• savoir recalculer à partir d'une feuille de calcul prédéfinie le bilan exergétique d'un des exemples pour un paramétrage différent