Étude des principales fonctionnalités mises en jeu dans les technologies énergétiques
Premier module
Le premier module du cours est consacré à l'étude des principales fonctionnalités mises en jeu dans les technologies énergétiques.
Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 50 mn de vidéos.
Dans ce module nous étudions les fonctionnalités mises en jeu dans les technologies énergétiques permettant la conversion thermodynamique de la chaleur.
Dans le premier thème, en analysant l'architecture des systèmes énergétiques simples, à savoir les centrales à vapeur, les turbines à gaz et les machines de réfrigération, nous montrons qu'un tout petit nombre de types de composants y sont mis en œuvre :
le premier correspond aux organes permettant de comprimer un fluide, qu'ils soient volumétriques ou des turbocompresseurs,
le second correspond aux organes de détente produisant du travail, qui sont généralement des turbines,
le troisième correspond aux échangeurs de chaleur, qui sont des dispositifs permettant d'apporter ou d'extraire de la chaleur par voie thermique
le quatrième correspond aux chambres de combustion et aux chaudières, dans lesquelles on apporte de la chaleur en brûlant un combustible
et enfin le cinquième correspond aux organes de détente sans travail comme les détendeurs ou vannes.
Dans le second thème, nous étudions les principes de fonctionnement des composants élémentaires.
Enfin, dans le troisième thème, 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.
Thème 1 : Architecture des cycles de base
Le premier thème aborde l'étude des 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 montrons qu'un tout petit nombre de composants sont mis en œuvre : des organes de compression volumétriques et des turbomachines, des échangeurs de chaleur, des chambres de combustion et chaudières, et enfin des détendeurs ou vannes.
Mais, avant tout il importe de bien définir les notions de fluide de travail et de cycle.
Les fluides jouent un rôle fondamental dans les systèmes énergétiques. On parle aussi de corps, cette notion étant plus large en ce sens qu'elle inclut aussi les solides.
Leurs propriétés sont étudiées dans le troisième module.
Extrait sur les les notions de fluide de travail et de cycle
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Centrale à vapeur
Extrait sur les centrales à vapeur
Remarques
Cette présentation est volontairement sommaire à ce stade du cours.
Elle sera complétée à plusieurs reprises :
dans ce module lors de l'étude des technologies des composants
dans le troisième module par une estimation du bilan du cycle effectuée sur diagramme thermodynamique
et dans le quatrième par une exploration dirigée du cycle modélisé dans Thermoptim
Indiquons dès à présent que le travail consommé par la pompe est très faible devant celui produit par la turbine (de l'ordre de 1 %), mais que cette pompe est un composant nécessaire pour remettre en pression l'eau sortant du condenseur avant qu'elle entre dans la chaudière. Sans elle, le cycle ne peut pas fonctionner.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Turbine à gaz
Extrait sur les turbines à gaz
Remarques
Cette présentation est volontairement sommaire à ce stade du cours.
Elle sera complétée à plusieurs reprises :
dans ce module lors de l'étude des technologies des composants
dans le troisième module par une estimation du bilan du cycle effectuée sur diagramme thermodynamique
et dans le quatrième par une exploration dirigée du cycle modélisé dans Thermoptim
Indiquons dès à présent que le travail consommé par le compresseur est de l'ordre de 60 % de celui produit par la turbine, mais que ce compresseur est un composant nécessaire pour mettre en pression l'air aspiré avant qu'il entre dans la chambre de combustion. Sans lui, le cycle ne peut pas fonctionner.
Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à double corps et à turbine de puissance.
Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.
L'ensemble des animations utilisées dans ce MOOC et réalisées par la Marine Nationale l'ont été par le Service TICE - Secteur API du Pôle Écoles Méditerranée, à Saint Mandrier. Précisons que ces médias et informations fournis par la Marine nationale l'ont été uniquement afin d'illustrer ce cours, et qu'à ce titre, leur exploitation hors contexte de ce vecteur de consultation nécessite l'accord de la Marine nationale.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Machine de réfrigération
Extrait sur les installations de réfrigération à compression de vapeur
Remarques
Cette présentation est volontairement sommaire à ce stade du cours.
Elle sera complétée à plusieurs reprises :
dans ce module lors de l'étude des technologies des composants
dans le troisième module par une estimation du bilan du cycle effectuée sur diagramme thermodynamique
et dans le quatrième par une exploration dirigée du cycle modélisé dans Thermoptim
Indiquons dès à présent que le compresseur permet de modifier la température de saturation du fluide frigorigène, qui peut ainsi d'une part refroidir l'évaporateur quand il est à la basse pression, et d'autre part céder de la chaleur à l'air ambiant lorsqu'il est à haute température. Sans lui, le cycle ne peut pas fonctionner.
Cette vidéo a été réalisée sur un banc d'essais particulier de la Marine Nationale où l'évaporateur et le condenseur sont construits en plexiglas.
On y voit les différents composants du cycle frigorifique, avec notamment au premier plan en noir le compresseur, et, à gauche et à droite deux cylindres en plexiglas transparent qui correspondent à l'évaporateur et au condenseur.
Elle permet de bien visualiser les phases de vaporisation et de condensation du réfrigérant.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Thème 2 : Technologies et principes de fonctionnement des composants élémentaires
Dans le second thème, une vidéo assez longue présente les différentes technologies utilisées dans les systèmes énergétiques et leurs grands principes de fonctionnement.
Remarques
Cette vidéo de présentation des technologies mises en œuvre dans les composants est un peu longue, mais il était difficile de la découper en plusieurs parties sans perdre en cohérence.
Si vous souhaitez approfondir la thermodynamique des compresseurs, vous pouvez consulter ces pages du portail Thermoptim-UNIT relatives aux compresseurs volumétriques et aux turbocompresseurs.
Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne un compresseur hermétique.
La première partie montre l'extérieur du compresseur, et la seconde présente ce qui se passe à l'intérieur.
Le fluide à basse pression entre en haut à gauche (flèche bleue). Il sort en bas à gauche à haute pression (flèche rouge).
Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne un compresseur centrifuge.
Cette animation de la Marine Nationale montre comment l'air s'écoule dans un turbocompresseur.
Les triangles des vitesses de l'écoulement sont donnés, en entrée du rotor et en entrée et sortie du stator.
Un récapitulatif de l'ensemble de l'écoulement est ensuite donné, avec les profils de pression et de vitesse dans la machine.
Si vous souhaitez approfondir la thermique des échangeurs, vous pouvez consulter cette page du portail Thermoptim-UNIT.
Dans cette page, le coefficient d'échange thermique est appelé U et non pas K.
Cette animation de la Marine Nationale montre différents types de condenseurs.
Après un schéma expliquant le principe de fonctionnement, divers types de condenseurs sont présentés.
Cette animation de la Marine Nationale montre différents types d'évaporateurs.
Après un schéma expliquant le principe de fonctionnement, divers types d'évaporateurs sont présentés.
Si vous souhaitez approfondir la thermique des chambres de combustion et chaudières, vous pouvez consulter les pages du portail Thermoptim-UNIT sur lesquelles pointent leurs liens.
Cette animation de la Marine Nationale montre différents types de détendeurs.
Divers types de détendeurs sont présentés, avec leur principe de fonctionnement.
Pk est la pression de sortie du condenseur
Pb est la pression du bulbe
Pr est la surpression générée par le ressort
P0 est la pression d'entrée dans l'évaporateur
Cette animation de la Marine Nationale montre comment est conçu un détendeur thermostatique.
Les différentes pièces constitutives sont mises en place progressivement.
Cette animation de la Marine Nationale montre le fonctionnement d'un détendeur thermostatique.
Au début, le bulbe thermostatique est chaud, ce qui a pour effet d'augmenter sa pression de saturation, et d'ouvrir le détendeur. Le débit de frigorigène augmente, refroidissant l'évaporateur et donc le bulbe en sortie.
Sa pression diminue, refermant le détendeur, jusqu'à ce que l'équilibre recherché soit obtenu.
Cette animation de la Marine Nationale montre le réglage d'un détendeur thermostatique.
La vis de réglage située sur la gauche du détendeur peut être plus ou moins serrée.
En la serrant davantage, on réduit le débit de frigorigène, ce qui augmente la température en sortie de l'évaporateur.
En la desserrant, on obtient l'effet inverse.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Questionnaire à choix unique sur les compresseurs volumétriques
Questionnaire à choix unique sur les turbocompresseurs
Questionnaire à choix unique sur les échangeurs de chaleur
Questionnaire à choix multiples sur les échangeurs de chaleur
Questionnaire à choix unique sur les pertes de charge
Questionnaire à choix multiple sur les appareils de combustion
Exercice de placement sur image sur les composants d'une chaudière
Thème 3 : Quatre fonctions élémentaires
Enfin, dans le troisième thème, nous montrons que ces composants assurent en fait quatre fonctions distinctes et élémentaires : comprimer un fluide, le détendre en produisant du travail, le chauffer ou le refroidir, et enfin le détendre sans produire de travail.
Extrait sur les quatre fonctions élémentaires
Remarques
L'analyse fonctionnelle met l'accent sur la fonction qu'un dispositif doit remplir pour répondre à un besoin défini par un utilisateur, sans aucun a priori sur les solutions technologiques.
Elle se démarque en ce sens de l'analyse descriptive traditionnelle d'un système technique, qui consiste à identifier ses différents organes en précisant essentiellement leur rôle.
L'un des principaux inconvénients de cette approche est que deux appareils de même finalité mais conçus avec des solutions techniques différentes ne peuvent pas être décrits de la même manière, alors qu'ils sont en fait très proches.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Exercice de placement sur image sur les fonctionnalités du cycle de centrale à vapeur
Exercice de placement sur image sur les fonctionnalités du cycle de turbine à gaz
Exercice de placement sur image sur les fonctionnalités du cycle de la machine de réfrigération
Connaissances acquises
Grâce à ce programme, à la fin du module :
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
