Table des matières. Nomenclature

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1 Table des matières Nomenclature ix Avant propos Objectif de l'ouvrage Limites des approches classiques Démarche de modélisation retenue Structure de l'ouvrage, contenu du deuxième tome Références 1 Introduction : des technologies en pleine mutation Limitation des ressources fossiles et contraintes géopolitiques Impact environnemental local et global de l'énergie Augmentation de l'effet de serre planétaire Diminution de la couche d'ozone Pluies acides et pollution urbaine Transfert de technologie en provenance d'autres secteurs L'innovation technologique, clé du futur énergétique Références 16 2 Turbomoteurs à combustion interne Turbines à gaz Principes de fonctionnement Exemples de turbines à gaz Turbines à gaz industrielles Turbines à gaz dérivées de l'aviation Principales contraintes technologiques Chambre de combustion Premiers étages de détente Cycles de base Cycle à gaz parfait sans irréversibilités Cycle à gaz parfait avec irréversibilités Modélisation avec Thermoptim Bilans énergétique et exergétique Améliorations du cycle Cycle à régénération Cycle à refroidissement intermédiaire Cycle à combustion séquentielle Cycle à refroid. intermédiaire, comb. séquentielle et régénération Cycle à injection de vapeur Turbine à gaz réfrigérée Configurations mécaniques Turbine à un seul arbre 43 xiii xiii xiv xv xviii xxii

2 ii Systèmes énergétiques Turbine à deux arbres Emissions de polluants Perspectives d'évolution des turbines à gaz Propulseurs aéronautiques Turboréacteurs et turbopropulseurs Principes de fonctionnement Fonctionnement au point fixe Fonctionnement en vol Turboréacteurs à double flux Postcombustion Performances des turboréacteurs Turbopropulseurs Protection des aubages Modélisation avec Thermoptim d'un turboréacteur à simple flux Mise en place d'une classe externe de "pilotage" des calculs Modélisation avec Thermoptim d'un turboréacteur à double flux Moteurs à réaction sans machine tournante Statoréacteurs Fusées Références 73 3 Moteurs à piston à combustion interne Mode général de fonctionnement Cycles à quatre et à deux temps Modes de refroidissement Evolutions des moteurs automobiles Analyse des cycles théoriques des moteurs alternatifs Cycle idéal de Beau de Rochas Cycle diesel Cycle mixte Cycles théoriques associés Courbes caractéristiques des moteurs à piston Performances effectives, PME et facteur de puissance Influence de la vitesse de rotation Performances indiquées, PMI Coefficient de remplissage Détermination de la pression moyenne indiquée Détermination expérimentale du rendement indiqué Rendement de forme Performances effectives, PME Pertes par pompage Pertes par frottement Consommation spécifique d'un moteur Moteurs à essence Limites de détonation et indice d'octane Renforcement de la turbulence 100

3 Table des matières iii Formation du mélange combustible, carburateurs, systèmes d'injection électronique Carburateurs Injection électronique Cycles réels des moteurs à essence Ecarts entre les cycles réels et théoriques Anomalies de combustion Performances des moteurs à essence Perspectives d'évolution des moteurs à essence Injection directe essence Moteurs à gaz Moteurs diesel Conditions de l'allumage par compression Délais d'inflammation et de combustion Taux d'utilisation de l'air Fatigues mécaniques et thermiques Refroidissement des parois Combustibles brûlés dans les moteurs diesel Cycles réels des moteurs diesel Perspectives d'évolution des moteurs diesel Injection directe pour moteurs automobiles Evolution des gros moteurs diesel Dimensionnement des moteurs alternatifs Suralimentation Généralités Principes de base Conditions d'autonomie d'un turbocompresseur Adaptation du turbocompresseur au moteur Conclusions sur la suralimentation Contrôle des moteurs et des émissions de polluants Emissions de polluants : mécanismes en jeu Optimisation de la combustion Optimisation de la conception des moteurs Evolution des systèmes de carburation Adaptation de l'allumage Contrôle du moteur Dispositifs d'épuration catalytique Cas des moteurs diesel Emissions de polluants gazeux Emissions de particules Evolutions technologiques Moteurs automobiles Injection directe diesel Injection directe essence Développements communs Gros moteurs à gaz et diesel Moteurs à gaz 140

4 iv Systèmes énergétiques Moteurs diesel lourds Références Moteurs Stirling principe de fonctionnement Entraînement des pistons Analyse thermodynamique des moteurs Stirling Cycle théorique Cycle de Stirling idéal Cycle de Stirling paraisotherme Influence de la pression Choix du fluide de travail Echangeurs de chaleur Refroidisseur Régénérateur Chaudière Caractéristiques d'un moteur Stirling Modèle Thermoptim simplifie d'un moteur Stirling Références Installations à vapeur (généralités) Introduction Enthalpie et exergie de la vapeur Configuration générale des installations à vapeur Dégazage de l'eau Dégazage chimique Dégazage thermique Purges de déconcentration Chaudières et générateurs de vapeur Chaudières Générateurs de vapeur Fonctionnement du vaporiseur Optimisation du niveau de pression Turbines à vapeur Différents types de turbines à vapeur Fonctionnement en régime non nominal Réglage à pression fixe Réglage à pression glissante Dégradation du rendement de détente en fonction du titre en vapeur Réglage de la température par désurchauffe Condenseurs, tours de refroidissement Principe de fonctionnement des tours de refroidissement Modèle phénoménologique Modèles de comportement Modèle de Merkel Calculateur du Cooling Technology Institute Analogies avec des échangeurs 182

5 Table des matières v Méthode du Recknagel Modélisation d'une tour de refroidissement à contact direct dans Thermoptim Références Cycles classiques de production d'électricité à vapeur Cycles des centrales classiques à flamme Cycle de base de Hirn ou de Rankine avec surchauffe Description du cycle Modélisation du cycle Bilans énergétique et exergétique Limites thermodynamiques du cycle de Hirn simple Cycle avec resurchauffe Cycle avec prélèvements Cycles supercritiques Cycles binaires Technologie des centrales à flamme Contraintes technologiques générales Les principales filières des centrales à charbon Centrales à fioul ou à charbon pulvérisé (FP ou CP) Centrales à lit fluidisé circulant (LFC) Centrales à lit fluidisé sous pression (PFBC) Centrales à gazéification de charbon intégrée à cycle combiné (IGCC) Emissions de polluants Cycles des centrales nucléaires Circuit primaire Générateur de vapeur Circuit secondaire Evolution de la filière REP Références Centrales à cycle combiné Cycle combiné sans postcombustion Performances globales Rendement et puissance réduites Cycle combiné avec postcombustion Optimisation des cycles combinés Variantes de cycles de turbine à gaz et combinés Cycle combiné diesel Conclusions et perspectives Références Cogénération et trigénération Indicateurs de performances Chaudières et turbines à vapeur Moteurs à combustion interne Moteurs alternatifs 229

6 vi Systèmes énergétiques Turbines à gaz Critères de choix Exemples d'installations industrielles Cogénération par micro-turbine à gaz Cogénération industrielle par turbine à gaz Description de l'installation Cas de fonctionnement Modélisation dans Thermoptim Trigénération Centrale de production de froid et de chauffage pour hypermarché Trigénération par micro-turbine à gaz et cycle à absorption Résultats du modèle Conception du composant externe Modèle thermodynamique Références Cycles de réfrigération à compression, pompes à chaleur Principe de fonctionnement Problématique actuelle Arrêt de la production des CFC Fluides de substitution Dérivés halogénés de transition Dérivés halogénés à ODP nul Fluides à ODP nul et faible GWP Mélanges Cycle de base Principe de fonctionnement Description du cycle Modélisation du cycle Bilans énergétique et exergétique Cycle à surchauffe et sous-refroidissement Cycle monoétagé sans échangeur Cycle monoétagé avec échangeur Cycles bi-étagés Cycle à compression biétagée avec refroidissement intermédiaire Cycles à compression et détente étagées Cycles spéciaux Cycles en cascade Cycles utilisant les mélanges Cycles utilisant les éjecteurs Cycles sans compresseur Cycles avec compresseur Cycles inverses de Brayton Pompes à chaleur Cycle de base Bilan exergétique Aspects technologiques 279

7 Table des matières vii Propriétés souhaitables pour les fluides Applications des fluides Compresseurs frigorifiques Détendeurs Echangeurs Organes annexes Vitesse variable Références Cycles de réfrigération à absorption liquide Introduction Etude d'un cycle à absorption NH3-H2O Modelisation dans Thermoptim d'un cycle à absorption libr-h2o Références Climatisation Eléments de base d'une installation de climatisation Exemples de cycles Climatisation d'été Climatisation d'hiver Références Optimisation par intégration systémique Principes de base Notion de pincement Intégration d'un système thermique complexe Tracé de la courbe composite Représentation exergétique de la courbe composite Conception des réseaux d'échangeurs Minimisation du pincement Mise en œuvre de l'algorithme Décalage des températures Recherche des intervalles de température Etablissement des bilans enthalpiques Détermination de l'appoint minimum Etablissement des courbes composites non décalées Tracé de la courbe des écarts des facteurs de Carnot (CEFC) Appariement des fluides échangeurs Procédure générale Etude de la zone endothermique Etude de la zone exothermique Machines thermiques et intégration thermique Placement des pompes à chaleur Placement des moteurs thermiques, cogénération Optimisation par analyse des irréversibilités Irréversibilités de composants et irréversibilités systémiques Méthode d'optimisation 331

8 viii Systèmes énergétiques 12.5 Mise en œuvre dans Thermoptim principes Ecran d'optimisation Table des fluides Intervalles Blocs d'échange Menus d'optimisation Exemple d'application Détermination des débits des circuits HP et BP Appariement des fluides dans les échangeurs de chaleur Références 349