MACHINES THERMIQUES Thermoptim Attention : 1 - Prise en main : chargement d'un cycle du catalogue : l'éditeur de schéma simulateur

Transcription

1 TP MACHINES THERMIQUES Objectifs : - Tracer le cycle d une machine thermique donnée dans le diagramme p h - Elaborer le schéma d une machine thermique à partir d un cahier des charges Thermoptim est un logiciel de simulation de machines thermiques. Il permet également d afficher différents diagrammes de vapeurs condensables ou de gaz. Attention : - Ne pas être nerveux : plus d un double-clic peut bloquer le logiciel, et tout serait à recommencer! - La version de démonstration (gratuite et téléchargeable à l adresse n autorise pas les sauvegardes. 1 - Prise en main : chargement d'un cycle du catalogue : * Lancer Thermoptim. Il apparaît alors deux fenêtres : l'éditeur de schéma, et le simulateur. 11 Edition d un schéma : * Dans l éditeur de schémas, ouvrir le fichier vapeur_demo.dia Le schéma d'une centrale électrique est alors chargé dans l'éditeur de schéma. Il comprend : - dans sa partie supérieure : une chaudière (source chaude) reliée à trois échangeurs (l'économiseur, le vaporiseur et le surchauffeur), - dans sa partie inférieure, de droite à gauche en suivant le sens des flèches, une turbine, un condenseur relié à une source froide, et une pompe pour la compression de l'eau à l'état liquide. L'eau est vaporisée au contact de la chaudière. La vapeur est ensuite détendue dans la turbine, dont l'arbre fournit le travail moteur. A la sortie de la turbine, la vapeur est totalement liquéfiée dans le condenseur, avant que le compresseur ne lui redonne la pression de la chaudière. 12 Simulation du cycle : Nous allons associer un projet pré-existant au schéma précédent. * Dans l éditeur de schémas, menu Fichier / Bibliothèque de projets associés, cliquer deux fois sur le projet cycle vapeur simple, puis Ouvrir. * Aller dans le simulateur : Ce dernier permet de quantifier le modèle décrit qualitativement dans l'éditeur de schéma. Pour représenter le cycle à vapeur simple, six points et six transformations (transfos) ont été nécessaires. Un double-clic sur l'une des lignes de la table des transformations donne accès à son écran de paramétrage. Un double-clic sur l'une des lignes de la table des points ouvre l'écran correspondant. Cahier des charges de la centrale : - Au point 1, un débit de 1kg/s d'eau est à l'état liquide, à une température d'environ 20 C, sous une faible pression de 0,023 bar. Une pompe, de rendement isentropique égal à 1, met cette eau en pression à 165 bar (point 2). - L'eau sous pression est ensuite chauffée à pression constante dans une chaudière à flamme (fuel, charbon, gaz naturel). L'échauffement comporte trois étapes : Chauffage du liquide dans l'économiseur de 20 C à environ 350 C, température de début d'ébullition à 165 bar : transformation 2-3a. Vaporisation à température constante dans le vaporiseur : transformation 3a-3b. Surchauffe de 350 C à 560 C dans le surchauffeur : transformation 3b-3. - La vapeur est ensuite détendue dans une turbine de rendement isentropique égal à 0,85 (en raison des irréversibilités) jusqu'à la pression de 0,023 bar : transformation Le mélange liquide-vapeur est enfin condensé jusqu'à l'état liquide dans un condenseur, échangeur thermique entre le fluide et la source froide, par exemple l'eau d'un fleuve. Le cycle est ainsi refermé. Rq : rendement isentropique (ou adiabatique) r : les compresseurs et les détendeurs ne sont généralement pas isentropiques, en raison des irréversibilités inévitables. Le rendement isentropique est : - pour un compresseur, le rapport du travail utile isentropique au travail utile réel, - pour un détendeur, le rapport du travail utile réel au travail utile isentropique.

2

3 * S aider du cahier des charges, du simulateur et des écrans de paramétrage pour effectuer les analyses suivantes : Penser à refermer les écrans de paramétrage après utilisation pour éviter les encombrements. Quel est le titre en vapeur au point 4? A quoi sert le condenseur? Comparer les températures, les entropies massiques et les pressions des points 1 et 2.Conclure : Comparer le travail de compression au travail de détente dans la turbine. Quel en est l intérêt? Détailler, en faisant bien attention aux signes, les échanges d'énergie : transfert thermique reçu de la source chaude, transfert thermique fourni à la source froide et travail utile récupéré (Attention : l'arbre est commun à la turbine et au compresseur). En déduire l'efficacité (rendement) de la centrale : Retrouver une partie de ces résultats en appuyant sur le bouton Bilan du simulateur. Quel est l'intérêt de la surchauffe 3b - 3? Pourquoi le condenseur opère-t-il à très basse pression?

4 2 - Tracé du cycle sur le diagramme p h : 21 - Positionnement des points : Le cycle décrit par le fluide s'appelle cycle de Rankine. * Les diagrammes des fluides sont accessibles dans le simulateur par Spécial / Diagrammes interactifs. Dans la fenêtre Diagrammes interactifs qui s ouvre, double-cliquer dans le champ diagramme (en haut à gauche), et choisir Vapeurs condensables. * Dans le menu Corps de la fenêtre du diagramme, choisir Eau. Dans le menu Graphe de la fenêtre du diagramme, choisir (h, p). * Revenir à la fenêtre Diagrammes interactifs, et cliquer sur le bouton Mettre à jour la table des points. Apparaît alors une table principale montrant les différents points. Les deux premières colonnes indiquent le nom et le corps des points. Si un point est défini dans le simulateur, la troisième colonne comporte un "X". S'il appartient à un cycle du diagramme, un "X" est affiché dans la quatrième (ici, il n'y en a pas). * Cliquer sur le bouton Mettre à jour le diagramme à partir du simulateur pour transférer les valeurs des points du simulateur vers le diagramme. Les points apparaissent alors sur ce dernier Tracé du cycle : La version de démonstration de Thermoptim ne permet pas de tracer le cycle. * Imprimer le diagramme p h contenant les points (ou prendre la feuille photocopiée sur la paillasse du professeur). Tracer le cycle de la centrale, en détaillant bien les caractéristiques de chaque transformation.

5 3 - Elaboration d'un modèle de réfrigérateur : 31 - Principe : * On rappelle le sens des échanges d'énergie d'un réfrigérateur : source chaude T c q c Réfrigérateur q f source froide T f > 0 > 0 w u > 0 T La source chaude est à la température ambiante T amb; la source froide est l'enceinte du réfrigérateur à la température T. frigo * Les transferts thermiques, réalisés dans des échangeurs thermiques, se font dans le sens des températures décroissantes. Le fluide doit donc présenter deux paliers isothermes T 1 et T 2 ( T 1< T 2 ) tels que cidessous : Au palier T 1, le fluide reçoit q f. Au palier T 2, il cède q c. Les changements d'état liquide-vapeur permettent de réaliser de tels paliers. Comme l enthalpie massique standard de vaporisation est positive, il faut : q f = vaph 0 ( T1 ) q = vap h 0 ( T ) c 0 vaph : vaporisation à la température T 1. : liquéfaction à la température T 2. 2 q c q f T 2 T c = T amb T f = T frigo T 1 * Les choix det 1 et T 2 imposent les valeurs des pressions de vapeur saturante respectives p 1 et p 2 ( p 1< p 2 ). Il est donc nécessaire, afin d'avoir un cycle fermé : - de compresser la vapeur de p 1 à p 2 - de détendre le liquide de p 2 à p 1. 3 Condenseur Détendeur 2 Compresseur 4 Evaporateur Cahier des charges : Le débit est imposé à 1 kg/s. La pression d évaporation est p 1 = 2 bar, celle de condensation p 2 = 9 bar. Le compresseur est adiabatique, et a un rendement isentropique de 0,8 pour tenir compte des irréversibilités. Pour éviter d aspirer du liquide, ce qui risquerait de détruire le compresseur, la vapeur est surchauffée à l entrée de 5 K au-dessus de la température de saturation. Le détendeur est un composant statique adiabatique (simple tube capillaire). La détente prend alors le nom de laminage. Montrer qu elle est isenthalpique :

6 Avant d entrer dans le détendeur, le liquide est sous-refroidi de 5 k, afin de s assurer qu aucune vapeur ne pénètre dans le composant. * Le condenseur est composé de deux parties : - le désurchauffeur, servant à refroidir la vapeur, - le condenseur proprement dit, servant à la condenser à l état liquide. * Reporter sur le schéma ci-dessus les grandeurs imposées des points 1 à 4 (températures, pressions et titres en vapeur connus), ainsi que les natures des transformations. Sortir puis rentrer dans le logiciel Thermoptim, afin d avoir une configuration propre Editeur de schémas : a] Composants : Les différents composants sont représentés dans une barre d icônes de l éditeur de schémas située sous la barre de menu, ou accessibles dans le menu Composants. * Sélectionner le compresseur, puis cliquer sur le panneau de travail à l endroit où l on désire le disposer. Une fenêtre à onglets de définition du composant apparaît : - Entrer le nom du composant (compresseur) - Dans l onglet port de sortie, entrer le nom du point de sortie (2), le nom du corps (R134a) et le débit (1 kg/s). - Cliquer sur Appliquer. * Faire de même avec le désurchauffeur, le condenseur, le détendeur (laminage) et l effet frigorifique (échangeur). b] Liens entre les composants : * Pour connecter deux composants entre eux, cliquer sur le port de sortie vert du premier (par exemple, l effet frigorifique), et faire glisser la souris jusqu au port d entrée bleu du deuxième (le compresseur). En cas d erreur, le lien peut être supprimé après l avoir sélectionné par Edition Supprimer du schéma. Lorsqu on clique sur un port, la flèche de la souris se transforme en croix. Si ce n est pas le cas (port situé dans une zone couverte par un lien), il suffit de déplacer légèrement le composant. Généralement, les liens s entrecroisent. Il suffit alors, pour obtenir un meilleur effet visuel, de retourner certains composants en les sélectionnant, puis en activant Edition Miroir vertical (ici : condenseur, détendeur et désurchauffeur). On peut associer un nom et un descriptif au schéma par Fichier Descriptif. On peut également ajouter un commentaire qui sera visible sur le schéma par l icône A de la barre des composants.

7 34 - Simulateur : (Le schéma peut être retrouvé dans la bibliothèque de schémas : frigo_demo) * Pour transférer dans le simulateur les informations contenues dans l éditeur de schéma, appeler Spécial Interface schéma / simulateur : - Cliquer sur Mettre à jour la table des éléments. Apparaît alors la liste des composants. - Cliquer sur Mettre à jour le simulateur à partir du schéma. Un nom est demandé pour le projet Une fois le transfert réalisé, apparaît l écran de projet. Il reste à paramétrer les points et les transformations (le paramétrage actuel étant par défaut). a] Paramétrage des points : * Commencer par paramétrer le point 1 représentant le gaz en entrée du compresseur : - Le point est calculé en système ouvert. - Entrer la valeur de la pression. - Imposer la température de saturation, puis prendre en compte la surchauffe de 5 K (écart T sat ) -, puis. * Paramétrer les autres points. On remarquera que le titre du point 4 est inconnu. b] Paramétrage des transformations : Le calcul s effectuant pas à pas, il est indispensable de suivre l ordre du cycle. * Pour calculer le point 2, ouvrir la transformation Compresseur : - Débit imposé. - Paramétrer la transformation adiabatique, de rendement 0,8. Le rapport de pression est ici calculé, et le mode de calcul est Imposer le rendement et calculer la transfo. - Choisir le type d énergie. -, puis. * Pour le désurchauffeur et le condenseur, l état des points amont et aval est connu. Vérifier simplement que le mode de calcul est m H, le point aval étant connu. Préciser le type d énergie, puis cliquer sur. * Paramétrer enfin le reste du cycle. c] Bilan énergétique : * Appuyer sur le bouton Bilan du simulateur. Compléments : - Les résultats obtenus peuvent être visualisés en activant dans l éditeur de schéma Spécial Afficher les valeurs. - On peut également afficher le bilan du réfrigérateur par Composants Bilan. Cliquer ensuite sur l endroit où l on désire le disposer, puis appeler Spécial Afficher les valeurs. Détailler le bilan. Que vaut le titre en vapeur au point 4?

8 1 2 3a 3 4 p = 9 bar p = 9 bar p = 9 bar Non contraint p et T connus p et T connus Titre 1 Imposer T sat Imposer T sat Titre 1 Ecart T sat = -5 calculer Titre 0 p = 2 bar p et T connus Imposer T sat Ecart T sat = 5 calculer Titre 1 p = 2 bar p et T connus Imposer T sat Débit imposé Adiabatique r isentropique = 0,8 Compresseur Désurchauffeur Condenseur Débit imposé Idem m H, le point aval étant connu Energie autre (Entrer des virgules) Imposer le rendement et calculer la transformation Rapport de compression calculé Energie payante Débit imposé Energie autre Laminage Effet frigorifique Débit imposé m H, le point aval étant connu Energie utile (kw)

9 Compléments Autres diagrammes des fluides Sortir puis rentrer dans le logiciel Thermoptim, afin d avoir une configuration propre. 1 - Diagramme entropique, ou diagramme T s : * Par le menu Affichage, ne conserver que la courbe de saturation : C Courbe d ébullition L L - V V Courbe de rosée * Afficher les isobares : * Zone diphasique : Paliers de liquéfaction horizontaux, car également isothermes (variance = 1) * Isobares liquides : La compression d un liquide est quasiment indépendante de la température. En conséquence, toutes les isobares liquides sont pratiquement confondues avec la courbe d ébullition. Le diagramme est alors très imprécis dans cette zone, et il est préférable de recourir à des tables. * p > p C : les courbes sont strictement ascendantes, et ne coupent pas la courbe de saturation : on est dans le domaine du fluide hypercritique. * Isobares gazeuses : Loin de la courbe de saturation (partie droite du diagramme), la vapeur est assimilable à un gaz parfait. Les molécules sont alors suffisamment éloignées les unes des autres pour pouvoir négliger les interactions à distance. Les isobares sont alors des exponentielles (cf calcul de l entropie massique d un gaz parfait en variables (T, p) : * Afficher les isenthalpes : s = C lnt rlnp + cte ). p Elles sont horizontales dans la zone où l on peut considérer la vapeur comme un gaz parfait. En effet, d après la deuxième loi de Joule : dh = C p dt h ne dépend alors que de T. Remarquer qu elles sont plus rapidement horizontales en basse pression.

10 2 - Diagramme de Mollier, ou diagramme h s : * Afficher la courbe de saturation seule : C Le point critique est à gauche du maximum de la courbe de saturation. * Afficher les isobares : dh = Tds + vdp h s p = T La pente des isobares est en chaque point égale à la température. Donc : - T variant continûment, il n y a pas de points anguleux - T > 0 : les isobares sont strictement croissantes. - Dans la zone diphasique, T est constant : les isobares sont des segments de droite. * Loin de la courbe de saturation, le gaz est sensiblement parfait, donc h est proportionnel à T. Les courbes T(s) étant des exponentielles, il en est de même des courbes h(s). * Afficher les isothermes : Zone diphasique : segments de droite confondus avec les isobares (paliers de liquéfaction). Gaz parfait : h est proportionnel à T. On a donc des segments horizontaux. * Arguments en faveur de l'utilisation du diagramme de Mollier : 1) Lecture directe de h, donc accès direct aux échanges d énergie (comme dans le diagramme p h). Il est rare dans les machines que l on ait à la fois échange de travail et transfert thermique dans une même transformation : - échangeur thermique : transfert thermique - détendeur, compresseur : échange de travail. 2) Excellente précision dans la partie gazeuse, puisque les isobares et les isothermes se croisent presque à angle droit.