MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur ......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

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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.

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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


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.

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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


Dans ce cas, comme dans tous les moteurs à combustion interne, les gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère, aussi est-il impropre de parler de cycle.

Toutefois, dans une approche simplifiée de ces transformations, on suppose que le fluide sortant est le même que le fluide entrant, et on peut alors considérer que le fluide parcourt un cycle partiel, dit cycle ouvert, qu'il est possible de fermer par une évolution fictive complémentaire, ce qui permet alors de le comparer à d'autres cycles fermés.

Par extension, on en vient à parler de cycle pour qualifier la représentation de la succession des évolutions thermodynamiques subies par le ou les fluides mis en jeu dans une technologie énergétique.

1.2 Centrale à vapeur

Nous allons maintenant nous intéresser au fonctionnement d’une centrale à vapeur. Précisons que nous n’étudierons qu’une version simplifiée du cycle utilisé dans les centrales électriques en service dans de nombreux pays dans le monde.

Vous avez pu découvrir précédemment une animation qui explique schématiquement comment fonctionne une telle centrale. Rappelons (figure 1.1.1) que fluide de travail est de l’eau et qu’elle met en jeu quatre composants :

- Une pompe

- Une chaudière

- Une turbine, généralement couplée à un générateur électrique

- Et un condenseur

1.2.1 Étude du cycle

Ce cycle permet de convertir de la chaleur à haute température en travail sur l’arbre moteur de la turbine. On parle de cycle moteur.

On parle ici à juste titre de cycle parce que, parcourant successivement les quatre composants de la centrale, le fluide de travail subit une série de transformations qui l'amènent à se retrouver dans son état initial.

Figure 1.1.2 : Turbine à gaz

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Plus précisément, il s'agit d'un cycle à combustion externe, permettant d'utiliser dans la chaudière une grande variété de combustibles (dont l'uranium).

Étudions comment fonctionne un tel cycle et quelles valeurs peuvent prendre ses paramètres.

Au point 1, l’eau entre dans la pompe à l’état liquide et à très faible pression (1/30° de bar environ).

Elle y est comprimée et en sort au point 2 à une pression voisine de 128 bar, toujours à l’état liquide.

Dans la chaudière, un combustible (solide, liquide ou gazeux) est brûlé, générant ainsi des gaz chauds qui sont refroidis par le fluide de travail, à savoir l’eau.

En restant à peu près à la même pression, l’eau passe de l’état liquide au point 2 à celui de vapeur surchauffée au point 3, où elle est portée à la température de 447 °C.

La vapeur surchauffée au point 3 est ensuite détendue dans une turbine à vapeur, ce qui permet de produire du travail moteur sur son arbre.

Elle sort au point 4 à la basse pression du cycle, sa température redevenant égale à 27 °C. Son état correspond à un mélange de liquide et de vapeur, appelé état diphasique car il y a deux phases.

La vapeur sortant au point 4 de la turbine est ensuite totalement liquéfiée au point 1 par refroidissement dans le condenseur. La pompe remet ensuite l’eau à la pression de la chaudière au point 2.

Précisons que le refroidissement du condenseur est assuré par une source froide externe, généralement l’air extérieur ou l’eau d’un fleuve ou de mer.

Comme vous le constatez, le circuit du fluide de travail comporte deux parties à des pressions différentes, la haute pression HP de 128 bar au niveau de la chaudière, et la basse pression BP de 0,0356 bar au niveau du condenseur.

Figure 1.2.1 : Paramétrage du cycle à vapeur


Il s’agit d’une caractéristique commune à tous les cycles que nous étudierons : ils mettent en œuvre deux niveaux de pression, les pompes et compresseurs faisant passer le fluide de travail de la BP à la HP, et les turbines et détendeurs de la HP à la BP.

1.2.2 Aspects

technologiques

Présentons maintenant brièvement les technologies mises en œuvre dans les composants de cette centrale à vapeur.

La pompe est généralement du type centrifuge, multiétagée car elle doit réaliser un haut rapport de compression (de l’ordre 3600 avec notre paramétrage).

Dans les centrales électriques à flamme classiques, les conditions de sortie chaudière sont de l'ordre de 560 °C et 165 bar, conduisant à un rendement thermodynamique voisin de 40 %, mais, dans certains cycles dits supercritiques ces valeurs peuvent atteindre 325 bar et 600 °C. Dans la filière Réacteur à Eau Pressurisée ou REP des centrales nucléaires actuelles, la haute pression et la température de la vapeur sont limitées pour des questions de sécurité et ne dépassent guère 60 bar et 275 °C.

Figure 1.2.2 : Pompe centrifuge

Figure 1.2.3 : Chaudière

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La chaudière d’une centrale à flamme classique remplit trois fonctions successives et se comporte donc comme un triple échangeur de chaleur. Elle doit :

- Tout d’abord chauffer l'eau d'alimentation pressurisée jusqu'à la température de vaporisation à la pression correspondante. On appelle économiseur l’échangeur de chaleur qui remplit cette fonction ;

- La chaudière doit ensuite vaporiser l'eau ;

- et enfin la surchauffer à la température désirée.

Les turbines à vapeur sont pour la plupart des turbines axiales multiétagées.

Le condenseur est un échangeur dont la particularité est de travailler en dépression par rapport à l'atmosphère, compte tenu de la faible pression de saturation de l'eau à la température ambiante.

Ce premier aperçu du fonctionnement d’une centrale à vapeur nous a permis de voir que ce cycle met en jeu trois types de composants :

1) Une pompe qui comprime le fluide de travail

2) Des échangeurs de chaleur qui chauffent ou refroidissent le fluide de travail

3) Une turbine qui détend le fluide de travail

Figure 1.2.4 : Chaudière

Figure 1.2.5 : Turbine à vapeur


Le cycle de la centrale à vapeur peut ainsi être décomposé en quatre fonctions successives.

1) Comprimer le fluide de travail

2) Le chauffer à haute température

3) Détendre le fluide de travail

4) Le refroidir dans l’état initial

Dans tous les cycles moteurs, on retrouve ces trois premières fonctions, se succédant dans cet ordre : on comprime, on chauffe et on détend.

1.3 Turbine à gaz

Intéressons-nous maintenant au fonctionnement d’une turbine à gaz. Ce type de machine est utilisé pour de nombreuses applications, comme la production d’électricité ou la propulsion.

Vous avez pu découvrir précédemment une animation qui explique schématiquement comment fonctionne une telle machine. Rappelons que le schéma de la figure 1.1.2 a montré qu’elle met en jeu trois composants principaux :

- Un compresseur d’air

- Une chambre de combustion, qui produit des gaz brûlés à haute température

- Et une turbine, généralement couplée à un générateur électrique, et dont sortent les gaz d'échappement.

Dans l’animation que nous avons vue, la turbine était décomposée en deux parties : la turbine liée couplée au compresseur, et la turbine libre ou turbine de puissance couplée à un alternateur ou un arbre moteur.

Figure 1.2.6 : Condenseur

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Le fluide de travail est successivement ici de l’air puis les gaz d'échappement.

Ce cycle permet de convertir de la chaleur à haute température en travail sur l’arbre moteur de la turbine. On parle de cycle moteur, tout comme pour le cycle de la centrale à vapeur.

Les gaz étant rejetés dans l’atmosphère, il est impropre de parler de cycle. On le fait cependant par abus de langage, comme nous l’avons expliqué.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu.

On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide thermodynamique, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturel ou des distillats légers comme du gazole).

1.3.1 Cycle de la turbine à gaz

Étudions comment fonctionne un tel cycle et quelles valeurs peuvent prendre ses paramètres.

Au point 1, l’air entre dans le compresseur à la pression atmosphérique (1 bar environ).

Il y est comprimé et en sort au point 2 à une pression de 16 bar.

Dans la chambre de combustion, le fluide de travail est porté à la température de 1065 °C, toujours à la pression de 16 bar. Compte tenu de la combustion, sa composition varie : de l’air au point 2, il devient des gaz brûlés au point 3.

Dans la turbine, le fluide de travail est détendu jusqu’à la pression de 1 bar au point 4. Sa température baisse à 370 °C.

Les gaz sont rejetés dans l’atmosphère.

Figure 1.3.1 : Paramétrage de la turbine à gaz


Tout comme pour la centrale à vapeur, le cycle opère entre deux niveaux de pressions : la BP à l’aspiration et à l’échappement, et la HP dans la chambre de combustion, le compresseur et la turbine faisant passer le fluide de travail d’un niveau à l’autre.

1.3.2 Aspects technologiques

Présentons maintenant brièvement les technologies mises en œuvre dans une turbine à gaz.

Je précise qu’il existe deux grandes catégories de turbines à gaz : les turbines à gaz industrielles, lourdes et robustes, mais de performances moyennes, et les turbines à gaz "dérivées de l'aviation" ou "aérodérivées", beaucoup plus légères et performantes, mais aussi plus chères.

On parle de machines aérodérivées car ces dernières sont des variantes des turboréacteurs. Pour obtenir de hautes performances leur architecture peut mettre en jeu plusieurs ensembles de compresseurs et turbines tournant à des vitesses différentes.

Les compresseurs, généralement centrifuges ou axiaux, sont multiétagés.

Figure 1.3.2 : Turbines à gaz industrielle et aérodérivée

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Les chambres de combustion sont normalement construites en alliage réfractaire.

Figure 1.3.3 : Turbocompresseur

Figure 1.3.4 : Chambre de combustion à tube de flamme


Elles sont souvent montées en barillet autour de l’axe de la turbine

Les turbines sont elles aussi généralement axiales.

Les principales contraintes technologiques se situent au niveau des premiers étages de la turbine de détente, qui sont soumis au flux des gaz d'échappement à très haute température.

Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et particulièrement sensibles à l'abrasion.

Il importe donc d'utiliser un combustible très propre ne comprenant ni particules ni composants chimiques susceptibles de former des acides. Il est par ailleurs nécessaire de limiter la température de fin de combustion en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages.

Figure 1.3.5 : Tubes de flamme montés en barillet

Figure 1.3.6 : Turbines

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Ce premier aperçu du fonctionnement d’une turbine à gaz nous a permis de voir que ce cycle met en jeu trois types de composants :

1) Un compresseur qui comprime le fluide de travail

2) Une chambre de combustion qui chauffe le fluide de travail

3) Une turbine qui détend le fluide de travail

Le cycle de la turbine à gaz peut ainsi être décomposé en trois fonctions successives.


2) Le chauffer à haute température


Comme nous l’avons indiqué lors de la présentation des centrales à vapeur, on retrouve ces trois fonctions dans tous les cycles moteurs, se succédant dans cet ordre : on comprime, on chauffe et on détend.

1.4 Machine de réfrigération

Dans une installation de réfrigération à compression de vapeur, on cherche à maintenir une enceinte froide à une température inférieure à l'ambiante.

Pour y arriver, on évapore un fluide frigorigène à basse pression (et donc basse température) dans un échangeur placé dans l'enceinte froide. Pour cela, il faut que la température Tevap du fluide frigorigène soit inférieure à celle de l'enceinte froide Tef.

Le fluide est ensuite comprimé à une pression telle que sa température de condensation Tcond soit supérieure à la température ambiante Ta. Il est alors possible de refroidir le fluide par échange thermique avec l'air ambiant ou avec un fluide de refroidissement, jusqu'à ce qu'il devienne liquide. Le liquide est ensuite détendu à la basse pression dans une vanne, sans production de travail, et dirigé dans l'évaporateur. Le cycle est ainsi refermé.

Figure 1.4.1 : Schéma d’une machine de réfrigération


La figure 1.4.2 illustre les transferts d’énergie qui prennent place dans l'installation. Les petites flèches dirigées vers le bas représentent les échanges thermiques, qui, comme on le voit, respectent bien le second principe de la thermodynamique : la chaleur s'écoule des zones chaudes vers les zones plus froides. La longue flèche ascendante représente l'apport d’énergie mécanique au compresseur, qui permet de relever le niveau de température du fluide.

Attention : les quantités d’énergie ne sont pas proportionnelles à la longueur des flèches.

Ce schéma montre qu’une machine de réfrigération met en jeu quatre composants :

- un évaporateur

- un compresseur

- un condenseur

- un détendeur

Ce cycle permet de convertir le travail sur l’arbre du compresseur en production de froid à basse température. On parle de cycle récepteur.

Comme pour la centrale à vapeur, on parle ici à juste titre de cycle parce que, parcourant successivement les quatre composants de la machine, le fluide de travail subit une série de transformations qui l'amènent à se retrouver dans son état initial.

Le fonctionnement de cette machine repose sur les changements d’état du frigorigène qui prennent place dans l’évaporateur et le condenseur, phénomènes généralement impossibles à visualiser car ces échangeurs sont opaques.

Je vous recommande de regarder la vidéo présentée ci-dessous réalisée sur un banc d’essais particulier de la Marine Nationale où ces échangeurs sont construits en plexiglas. Elle vous permettra de mieux comprendre les phases de vaporisation et de condensation du réfrigérant.

1.4.1 Cycle de la machine de réfrigération

Étudions comment fonctionne un cycle de réfrigération et quelles valeurs peuvent prendre ses paramètres.

Figure 1.4.2 : Transferts d’énergie dans une installation de réfrigération

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Au point 1, un fluide frigorigène, le R134a, entre dans le compresseur à l’état de vapeur saturée : pression de 1,78 bar et température T = - 13 °C.

Il y est comprimé et en sort au point 2 à une pression de 12 bar et à 52 °C, à l’état de vapeur.

La pression de 1, 78 bar a été choisie pour que la température de vaporisation du R134a à cette pression soit inférieure à celle de l’enceinte froide qui est de - 8 °C.

La pression de 12 bar a été choisie pour que la température de vaporisation du R134a à cette pression soit supérieure à celle de air ambiant qui est de 35 °C.

Le refroidissement du fluide dans le condenseur par échange avec l'air extérieur comporte deux étapes : une désurchauffe dans la zone vapeur suivie d’une condensation jusqu’au point 3 à l’état liquide saturé à 12 bar et 47 °C.

Le fluide de travail est ensuite détendu sans production de travail jusqu’au point 4 à l’état diphasique à 1,78 bar et -13 °C, avant d’être dirigé vers l'évaporateur.

Tout comme pour la centrale à vapeur et la turbine à gaz, le cycle opère entre deux niveaux de pressions : la BP à l’évaporateur, et la HP au condenseur, le compresseur et le détendeur faisant passer le fluide de travail d’un niveau à l’autre.

1.4.2 Aspects technologiques

Présentons maintenant brièvement les technologies mises en œuvre dans cette machine de réfrigération.

Figure 1.4.3 : Paramétrage d’une machine de réfrigération


Dans un réfrigérateur domestique, l’évaporateur est généralement formé de deux plaques planes ondulées soudées l’une contre l’autre, le fluide frigorigène circulant dans les canaux formés par les corrugations.

Il tapisse le plus souvent le compartiment « congélation » du réfrigérateur (c’est sur lui que se forme la couche de givre). La plaque entre les canaux de passage du fluide sert d’ailette pour augmenter le contact thermique entre le fluide frigorigène et le compartiment froid.

Cet évaporateur est relié au reste de la machine par deux canalisations qui traversent la paroi isolante. L’une d’entre elles est reliée à la sortie du détendeur, l’autre à l’aspiration du compresseur.

Généralement, le compresseur n’est pas directement visible car il est contenu dans un bloc métallique monté sur des coussins en caoutchouc, pour éviter les vibrations, et d’où sortent un fil électrique et deux tuyaux d’entrée et sortie du fluide. Il s’agit d’un compresseur dit hermétique, à piston, qui présente l’avantage que le moteur est directement refroidi et lubrifié par le fluide thermodynamique.

D’autres types de compresseurs existent aussi, comme les compresseurs à piston dits ouverts ou semi-ouverts, les compresseurs scroll, les compresseurs à vis ou les compresseurs centrifuges.

Figure 1.4.4 : Evaporateur

Figure 1.4.5 : Compresseur

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Le condenseur est la grille noire située sur la face postérieure du réfrigérateur, constituée

d’un tuyau enroulé en serpentin et étayé par des tubes métalliques qui d’une part augmentent les échanges thermiques avec l’air, et d’autre part renforcent la rigidité mécanique. Il est relié à la sortie du compresseur et à l’entrée du détendeur.

Le détendeur est généralement constitué d’un simple tube capillaire, c’est-à-dire de très petit diamètre, et quelquefois il s’agit d’un détendeur thermostatique.

Ce premier aperçu du fonctionnement d’une machine de réfrigération nous a permis de voir que ce cycle fait appel à deux des types de composants déjà rencontrés dans les cycles que nous avons étudiés :

Figure 1.4.6 : Compresseur ouvert

Figure 1.4.7 : Condenseur

Figure 1.4.8 : Détendeurs


1) Un compresseur

2) Des échangeurs

Il met en jeu un composant d’un type nouveau : le détendeur.

On notera que le cycle de la machine de réfrigération peut être décomposé en quatre fonctions successives :


2) Le refroidir à haute pression


4) Le chauffer jusqu’à l’état initial

Dans tous les cycles récepteurs, on retrouve ces trois premières fonctions, se succédant dans cet ordre : on comprime, on refroidit et on détend.

1.5 Composants mis en œuvre

Les machines thermiques que nous avons étudiées ne mettent en jeu qu’un petit nombre de catégories de composants :

1) Des pompes ou compresseurs qui compriment le fluide de travail

2) Des échangeurs de chaleur, chambres de combustion ou chaudières qui chauffent ou refroidissent le fluide de travail

3) Des turbines qui détendent le fluide de travail en produisant du travail mécanique

4) Des détendeurs qui détendent le fluide de travail sans produire de travail mécanique

Pour chaque catégorie, bien qu’ils assurent les mêmes fonctions, des composants différents sur le plan technologique sont cependant utilisés dans les différentes machines.

Nous allons dans ce qui suit présenter leurs principales caractéristiques

1.5.1 Compresseurs volumétriques

Un compresseur volumétrique se caractérise par l'encapsulation, ou emprisonnement, du fluide qui le traverse dans un volume fermé que l'on réduit progressivement. Un retour de ce fluide dans le sens des pressions décroissantes y est empêché par la présence d'une ou plusieurs parois mobiles.

De par leur conception, les compresseurs volumétriques conviennent particulièrement bien pour traiter les débits de fluide relativement faibles, éventuellement très variables, et sous des rapports de pression relativement importants.

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Ils sont très utilisés dans les réfrigérateurs et congélateurs.

Leur principe de fonctionnement est le suivant : une masse fixe de gaz à la pression d'aspiration P1 est emprisonnée dans une enceinte de volume variable. Pour augmenter la pression, ce volume est progressivement réduit, d'une manière qui diffère selon la technique utilisée.

En fin de compression, l'enceinte est mise en communication avec le circuit de refoulement, pour que le gaz comprimé à la pression P2 puisse sortir.

Une nouvelle masse de gaz à la pression P1 est alors aspirée dans les canalisations amont, et ainsi de suite, le fonctionnement de la machine étant cyclique.

C’est le même principe que la pompe à vélo, bien connue de nombreux cyclistes amateurs ou professionnels.

Les compresseurs à piston sont des compresseurs volumétriques.

Des clapets automatiques permettent la mise en communication avec les tubulures d’aspiration et de refoulement.

Outre les compresseurs à piston, deux autres types de compresseurs volumétriques sont très utilisés : les compresseurs à vis et à spirale ou scroll, ces derniers étant aujourd’hui les plus répandus, car ils présentent des avantages importants en terme de maintenance. Nous ne parlerons pas ici des compresseurs à vis.

Signalons aussi les compresseurs à palette (rotary en anglais), aujourd'hui plus répandus que les scrolls qu’ils concurrencent avec des puissances disponibles croissantes

Figure 1.5.1 : Compresseur à piston

Figure 1.5.2 : Compresseur scroll


Les compresseurs scroll sont formés de deux spirales cylindriques, l’une fixe, l’autre mobile, de forme identique.

La spirale mobile est animée d’un mouvement d’entraînement excentrique, ce qui permet aux deux spirales cylindriques de rouler en glissant l'une sur l'autre, enfermant des poches de gaz de volume variable (figure 1.5.2). Le gaz est aspiré à la circonférence et refoulé au centre. La compression est ainsi assurée.

Les avantages de ce dispositif sont l'absence de clapets, la simplicité du mécanisme et donc son faible coût et son silence, de faibles pertes mécaniques, la possibilité de tourner à des vitesses élevées, l'absence de vibrations, la légèreté, la fiabilité et le faible couple résistant.

1.5.2 Turbocompresseurs et turbines

Venons-en maintenant aux turbocompresseurs.

À la différence des machines volumétriques où le fluide est enfermé dans un volume fermé, on réalise dans un turbocompresseur un écoulement continu de fluide auquel on communique de l'énergie grâce à des aubages mobiles entraînés par un rotor.

Un exemple familier de turbocompresseur est un sèche-cheveux ou un aspirateur. Dans le premier cas une petite hélice tournant à grande vitesse accélère un débit d’air qui est ensuite chauffé par des résistances électriques. Dans le second cas, l’air aspiré par la turbomachine est rejeté à l’extérieur, créant un effet d’aspiration à l’entrée de l’appareil.

D'une manière générale, une turbomachine est constituée de quatre éléments en série

- Tout d’abord le convergent d'entrée C, ou distributeur, pièce fixe qui a pour fonction d'orienter correctement les filets fluides à leur entrée dans la roue mobile, et de les accélérer légèrement ;

- Le second élément est la roue mobile RM, ou rotor, animée d'un mouvement de rotation autour d'un arbre. Cette roue comporte des aubages délimitant des canaux, entre

Figure 1.5.2 : Fonctionnement d’un compresseur scroll

Figure 1.5.3 : Turbomachine

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lesquels se répartit le débit de fluide. Elle communique au fluide l'énergie mécanique des aubages, sous forme d'énergie cinétique, thermique et de pression ;

- Le troisième élément est le diffuseur D est un organe fixe qui a pour fonction de transformer en pression une partie de l'énergie cinétique acquise par le fluide lors de la traversée de la roue. Selon les cas, ce diffuseur peut comporter ou non des aubages. On dit qu'il est cloisonné ou lisse ;

- Le dernier élément est la volute V, fixe elle aussi, qui redresse les filets fluides sur la périphérie de la roue, et les dirige vers l'aval de la turbomachine.

Il existe deux principaux modes de circulation du fluide par rapport au rotor d'une turbomachine : la circulation radiale, très utilisée pour les turbocompresseurs centrifuges terrestres, notamment pour la réfrigération ou pour la suralimentation des moteurs

Le deuxième mode de circulation du fluide est la circulation axiale, presque toujours réalisée dans les turbocompresseurs d'avion

Une turbomachine comporte fréquemment plusieurs étages. On parle alors de turbomachine multiétagée.

Dans un turbocompresseur, le guidage en amont de la roue joue un rôle secondaire par rapport à la récupération de l'énergie cinétique en sortie. On peut donc éventuellement se passer du distributeur amont.

Dans une turbine, à l'inverse, il est essentiel de disposer des tuyères de détente et de guidage en amont de la roue, alors que le diffuseur ne joue qu'un rôle secondaire et peut éventuellement disparaître.

Figure 1.5.4 : Turbocompresseur centrifuge

Figure 1.5.5 : Turbomachine multiétagée


1.5.3 Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont des appareils permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des températures différentes.

Dans la plupart des cas, les deux fluides ne sont pas en contact, et le transfert s’effectue à travers une paroi.

Au sein de cette paroi séparatrice, le mécanisme de transmission de la chaleur est la conduction, tandis que ce sont presque toujours les phénomènes de convection qui prédominent sur chacune des deux surfaces de contact avec les fluides.

Dans un échangeur, l’écoulement des deux fluides peut s’effectuer dans de multiples dispositions relatives : parallèlement, à contre-courant, de manière croisée, etc.

On peut facilement démontrer que, sur le plan thermodynamique, l’échangeur le plus performant est l’échangeur à contre-courant, mais d’autres préoccupations que l’efficacité thermodynamique entrent en ligne de compte lorsque l’on conçoit un échangeur, comme des considérations d’encombrement, de poids ou de prix de revient.

Il en résulte que les configurations des échangeurs que l’on rencontre en pratique sont relativement nombreuses.

La figure 1.5.7 montre les profils de température dans deux configurations d’échange, à contre-courant et à co-courant (ou parallèle).

On peut démontrer que, pour ces deux configurations, le flux de chaleur Phi échangé entre les deux fluides est donné par cette équation de couplage.

= KA Tml

A est la surface d’échange, K le coefficient d’échange thermique global, et Tml la différence de températures moyenne entre les deux fluides.

Comme on cherche généralement à ce que l’écart de température entre les fluides soit le plus faible possible, cette équation montre que le flux de chaleur échangé est d’autant plus important que le coefficient d’échange thermique K est élevé et que la surface d’échange est grande.

Figure 1.5.5 : Turbine

Figure 1.5.6 : Schéma d’un échangeur

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Il est possible d’augmenter K en utilisant de faibles sections de passage des fluides de chaque côté de la paroi de l’échangeur, mais cela se traduit par des frottements élevés dans le fluide, qui ont pour effet de générer une importante perte de pression, appelée perte de charge.

Les échangeurs à tubes et calandre sont très robustes et économiques. Ils sont notamment employés pour les échanges liquide-liquide ou liquide-vapeur. En énergétique, les applications de ce type d'échangeur sont nombreuses, comme la récupération thermique sur des gaz chauds ou bien les évaporateurs et condenseurs de machines frigorifiques.

Figure 1.5.7 : Profils de température dans un échangeur

Figure 1.5.8 : Echangeurs à tubes et calandre


Un faisceau de tubes en parallèle est fixé à ses deux extrémités sur des plaques épaisses perforées, et traversé par l'un des deux fluides, tandis que l'autre circule à l'extérieur des tubes, selon différents modes en fonction du type d'échangeur.

Aux deux extrémités, des boîtes distribuent ou recueillent le fluide qui passe à l'intérieur des tubes tandis qu'une calandre, généralement cylindrique, assure le confinement de l'autre fluide.

Les échangeurs à ailettes sont utilisés lorsque l'un des fluides est un gaz et l'autre un liquide ou un fluide en train de se vaporiser ou de se liquéfier.

Dans ces échangeurs, les coefficients convectifs du côté du gaz sont beaucoup plus faibles que les autres, et l'adjonction d'ailettes permet d'augmenter la surface d'échange et donc de rééquilibrer l'échangeur sur le plan thermique.

Figure 1.5.9 : Echangeurs à ailettes

Figure 1.5.10 : Echangeurs à ailettes

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Les échangeurs à plaques sont composés de plaques gaufrées selon des profils variés, entre lesquelles passent alternativement les deux fluides qui échangent de la chaleur. Ils présentent une surface d'échange variable mais très développée, ce qui permet d'obtenir une grande compacité.

Plus coûteux que les échangeurs tubulaires, ils offrent de meilleurs coefficients d'échange et ceux qui ne sont pas soudés peuvent être modifiés par changement du nombre de plaques, ce qui les rend évolutifs.

1.5.4 Chambres de combustion et chaudières

Sur le plan technologique, il existe deux grandes classes de dispositifs dans lesquels sont réalisées des combustions à des fins énergétiques : les chambres de combustion des moteurs qui réalisent une combustion interne où le carburant brûle avec le fluide de travail, et les chaudières où le combustible brûle avec de l’air extérieur, la combustion étant externe par rapport au cycle thermodynamique.

Les premières servent à produire des gaz de combustion à pression et température élevées qui sont ensuite détendus, par exemple dans une turbine.

Les secondes réalisent simultanément dans une même enceinte la combustion et le transfert au fluide de travail de la chaleur de la flamme et des gaz brûlés.

Le schéma de la figure 1.5.12 représente la coupe d'une chambre de combustion du type tube de flamme, très communément rencontrée en pratique.

L'air comprimé qui sort du compresseur entre dans la partie gauche. Il se scinde en deux courants, l'un qui assure le refroidissement des parois, l'autre qui pénètre directement dans la chambre de combustion, où il brûle avec le combustible injecté en partie centrale.

Figure 1.5.11 : Echangeurs à plaques


Compte tenu du faible excès d'air local, la flamme atteint dans la zone primaire une haute température (jusqu'à environ 2 225 °C).

Par des trous disposés à la périphérie des tubes de flamme, l'air extérieur revient se mélanger aux gaz brûlés dans la zone transitoire, où la température redescend autour de 1725 °C, puis dans la zone de dilution, où l'on cherche à réaliser un flux de gaz de température aussi stable que possible pour éviter les risques de surchauffe locale ou momentanée.

Dans les chambres à barillet de tubes de flammes, six à douze tubes sont montés en parallèle autour de l'axe de la turbine à gaz. Ils sont interconnectés de manière à équilibrer les pressions et permettre la propagation de l'allumage.

Ces tubes de flammes (figure 1.3.4) sont très compacts, leurs dimensions atteignant quelques dizaines de centimètres au plus. Soumis à des flux de chaleur intenses et à de très hautes températures, les matériaux qui les composent sont des tôles d'acier réfractaires éventuellement recouvertes de céramiques.

Figure 1.5.12 : Coupe d’une chambre de combustion

Figure 1.5.13 : Chambres de combustion

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Les chaudières sont beaucoup plus volumineuses que les chambres de combustion, de par la nécessité de transférer la chaleur des fumées à un autre fluide, ce qui exige des surfaces d'échange importantes.

Dans de nombreuses applications, ce fluide est de l'eau pressurisée, qui se vaporise à l'intérieur de la chaudière, laquelle se comporte alors comme un triple échangeur selon que l'eau est à l'état liquide (on parle alors d'économiseur), se vaporise dans le vaporiseur, ou est portée à l'état de vapeur surchauffée dans le surchauffeur (figure 1.2.4).

On distingue deux grandes catégories de chaudières, dénommées d'après le fluide qui circule à l'intérieur des tubes : les chaudières à tubes de fumée, et les chaudières à tubes d'eau (figure 1.2.3).

Une chaudière à tube d'eau est composée d'un foyer où prend place la combustion conduisant à des températures de flamme de 1200 à 1500 °C.

Ses parois sont garnies de tubes d'acier lisses ou ailetés, parcourus par l'eau sous une pression de 50 à 180 bar. La chaleur est transmise essentiellement par rayonnement, et aussi par convection.

Pour que la chaleur soit transférée, il est nécessaire que la surface totale des tubes soit très grande, ce qui interdit d'utiliser des aciers nobles : leur température de surface est limitée à environ 650 °C.

La figure 1.5.14 représente deux vues en coupe d'une chaudière à vapeur à tubes d'eau de la marque Carosso. La circulation de l'eau entre les deux grands réservoirs R est assurée par thermosiphon, la vaporisation prenant place dans le faisceau de tubes qui les relie.

Rappelons qu’on appelle thermosiphon la circulation naturelle de l’eau dans les tubes due à la différence de température, sans besoin d’une pompe.

1.5.5 Détendeurs

Comme les vannes et les filtres, les détendeurs sont des organes sans parois mobiles, qui réalisent une baisse de pression entre l’amont et l’aval du composant, c’est-à-dire des détentes sans production de travail.

Figure 1.5.14 : Chaudière Carosso


Un obturateur vient fermer de manière plus ou moins étanche un orifice dans lequel débouche le fluide à haute pression. En fonction de la section de passage laissée disponible, le débit de fluide et la perte de pression peuvent être ajustés.

Les détendeurs utilisés dans les machines frigorifiques peuvent être de simples tubes capillaires de diamètre 0,6 à 2,8 mm, des détendeurs thermostatiques dont l'ouverture est régulée par l'écart entre la température du fluide en sortie de l'évaporateur et la température de saturation dans le bulbe, ou encore des détendeurs électroniques (figure 1.4.8).

Un détendeur thermostatique est monté sur la conduite de liquide en amont de l’évaporateur. En fonction de la charge thermique sur l’évaporateur, il régule le débit en équilibrant la pression du bulbe du côté supérieur de la membrane, avec du côté opposé la pression d’évaporation à laquelle s’ajoute la pression du ressort, ce dernier permettant de régler la valeur de la surchauffe.

1.6 Quatre fonctions élémentaires

Nous avons vu précédemment que, même si les solutions techniques mises en œuvre sont très variées, les fluides de travail qui interviennent dans les trois machines que nous avons étudiées ne subissent que quatre types d’évolutions ou transformations distinctes :

- des compressions ;

- des détentes avec production de travail ;

- des détentes sans production de travail ;

- des changements de température (échauffements et refroidissements), avec ou sans changement de phase

Le passage de la représentation technologique de la machine étudiée à sa représentation fonctionnelle constitue la première étape de ce que l’on appelle sa modélisation, opération mentale fondamentale pour en calculer les propriétés.

Quatre fonctionnalités seulement suffisent ainsi à décrire le fonctionnement de ces machines :

- les compressions peuvent être réalisées le fluide étant liquide ou gazeux. Dans le premier cas le composant est une pompe, dans le second un compresseur ;

- les détentes avec production de travail sont généralement réalisées dans des turbines ;

- les détentes sans production de travail prennent place dans des vannes ou détendeurs ;

- les échauffements peuvent être effectués soit dans des chambres de combustion ou des chaudières, soit dans des échangeurs de chaleur. Les refroidissements se font généralement dans des échangeurs de chaleur.

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Nous avons aussi énoncé un constat de portée très générale : dans tous les moteurs, le fluide qui circule est successivement comprimé, chauffé, détendu et refroidi, et, dans toutes les machines réceptrices, il est comprimé, refroidi, détendu et chauffé.

Les différents composants des machines thermiques peuvent ainsi être regroupés dans un petit nombre de catégories fonctionnelles, calculables indépendamment les unes des autres lorsqu’on connaît les évolutions thermodynamiques correspondantes.

Le schéma de la figure 1.6.1 résume les liens qui existent entre les composants des systèmes que nous avons étudiés et ces quatre fonctionnalités.

A partir de ces fonctions il est possible de représenter un grand nombre de technologies énergétiques, des plus simples comme celles que nous avons étudiées ici, jusqu’à des systèmes de grandes dimensions. Cette manière d’opérer facilite grandement l’étude des systèmes énergétiques, même si la thermodynamique appliquée reste une science difficile.

Figure 1.6.1 : Les quatre fonctions élémentaires


La méthode d’apprentissage que nous vous proposons est basée sur ces résultats : vous apprendrez comment peuvent être calculées les propriétés des fluides subissant ces quelques évolutions, ce qui vous permettra de dresser le bilan énergétique d’un très grand nombre de technologies.

Documents

MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur ......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