Optimisation des systèmes énergétiques Master 1 : GSI Génie Energétique et Thermique

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Louise Yvette Pothier
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1 Optimisation des systèmes énergétiques Master 1 : GSI Génie Energétique et Thermique Année Stéphane LE PERSON Maître de Conférences Université Joseph Fourier Jean-Paul THIBAULT LEGI UMR : CNRS/UJF/G-INP [email protected] Bibliographie : *** La thermodynamique facile, F. DIETZEL & W. WAGNER, PYC Livres, (98) Thermodynamique des systèmes fluides et des machines thermiques, J-P FOHR, Lavoisier, (2010) Thermique théorique et pratique, B. EYGLUNENT, Hermes (94) Mécanique des fluides, S. CANDEL, Dunod Univ., (90) Advanced engineering thermodynamics, A. BEJAN John Wiley (2006) Energétique et turbomachines, R. BIDARD& J. BONNIN, Eyroles (79) 1

WAGNER, PYC Livres, (98) Thermodynamique des systèmes fluides et des machines thermiques, J-P FOHR, Lavoisier, (2010) Thermique théorique et pratique, B.

3 L ENERGIE et les MATERIAUX L ENERGIE et la TERRE Métal Energie de formation d oxydes métalliques (à 25 C) Température de fusion Age d apparition Flux solaire : Densité de flux 1, GW 1 kw/m 2 cuivre 167 kj 1083 C Av.C. étain 580 kj 231 C Av.C.? fonte 821 kj 1100 C Av.C. Consommation d énergie en 1996 Puissance sur un an 3, GJ (9 Gtep) 1, GW fer 821 kj 1536 C Av.C. Flux géothermique GW aluminium 1678 kj 660 C 1900 Ap.C. Puissance dissipées par les marées GW Puissance d une tranche nucléaire 1 GW NB : 1 Mtep = 4, GJ

C. Consommation d énergie en 1996 Puissance sur un an 3,8 10 11 GJ (9 Gtep) 1,2 10 4 GW fer 821 kj 1536 C -1000 Av.C. Flux géothermique 3 10 4 GW aluminium 1678 kj 660 C 1900 Ap.

4 Conversion des unités d énergie

5 Energie nucléaire * Au niveau microscopique : associée à la force de cohésion des nucléons, La force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes (Transforma=ons du noyau libérant ce?e énergie sont appelées réac=ons nucléaires). La force nucléaire faible (réac=ons entre par=cules et neutrinos) * Au niveau macroscopique correspond à : Au sein des étoiles: l énergie libérée par les réac=ons de fusion nucléaire, Usages civils et militaires : l énergie libérée lors des réac=ons de fission ou de fusion du noyau atomique. Fission Fusion Deutérium + Tri=um Hélium 4 + neutron

La force nucléaire faible (réac=ons entre par=cules et neutrinos) * Au niveau macroscopique correspond à : Au sein des étoiles: l énergie libérée

6 Centrale nucléaire: Fission

7 Centrale nucléaire : Fusion

8 Pile à combus-ble Une pile à combus-ble est une pile : conver-sseur d'énergie chimique en énergie électrique Anode => oxyda-on d 1 réducteur (ex. dihydrogène) Cathode => réduc-on d 1 oxydant (ex. dioxygène de l'air). Réac-on accélérée par catalyseur (ex.pla-ne) NB : Force électromotrice théorique (tension à courant= 0) vaut 1,23 V (à 25 C, 1 bar avec O 2 et H 2 purs En pra-que 0,5 à 0,8V Ex: Electrolyte de la PEMFC est une membrane poreuse hydratée imperméable à l hydrogène ne laisse passer que les protons

pla-ne) NB : Force électromotrice théorique (tension à courant= 0) vaut 1,23 V (à 25 C, 1 bar avec O 2 et H 2 purs En pra-que

9 Pile à combus-ble Tableau récapitula-f des différentes techniques

10 Premier principe : Joule ( ) Principe d équivalence Premier principe de la Thermodynamique Second Principe : Carnot ( ) Clausius ( ) Principe de Hiérarchie 2 nd principe : Analogie hydraulique

Second Principe : Carnot (1796 1832) Clausius (1822

11 Le système matériel Système ouvert: machine à transvasement m = f (t) Système à capsulisme: MACI m = f (t)

12 Transformations réversibles de gaz parfait en vase clos m = cste ou n = cste m = n.m (M : masse molaire) P = cste Loi de Gay- Lussac V/T = cste ** V = cste Loi de Charles P/T = cste ** T = cste Loi de Mariotte P.V = cste S = cste Transfo. adiabatique P.V γ = cste (Qext = 0) *** Bilan : Loi des Gaz Parfaits P.V/T = cste P.V = n.r.t P/ρ = r.t

Charles P/T = cste ** T = cste Loi de Mariotte P.V = cste S = cste Transfo.

13 Fonctions d état et principes de la thermodynamique Energie interne: Enthalpie : h u = u + p.v ou h = e + p.v U [J] & u [j/kg] H [J] & h [J/kg] avec e = u + υ2 2 + g.z Bilan des PP de la thermo (tout fluide) : du = Tds p.dv dh u = Tds + v.dp ds = δq T 1er PP (système fermé ) 1er PP (système ouvert) 2nd PP : Bilan d entropie Cas des Gaz parfaits: c p c v = r = R M c p = γ c v du = c v (T ).dt dh u = c p (T ).dt Bilan d entropie (GP): ds = c v dt T + r dv v ds = c p dt T r dp p R = 8, 314J.mol 1.K 1 M = masse.molaire

14 Premier Principe Système fermé m = cste Puissance mécanique W m = σ m (df p + df f ).v en [W] F p : Forces pression, F f : Forces frottement, v : vitesse Ex : énergie- travail d un piston mobile W 1,2 = 2 p.dv en [J] Par unité de masse : 1 δw = p.dv en [J/kg] Bilan d Energie interne (1 er PP) : m.(u 2 u 1 ) = W 1,2 + Q 1,2 en [J] avec u : énergie interne massique (fonction d état) W : énergie- travail (grandeur de parcours / transformation) Q : énergie- chaleur (grandeur de parcours / transformation) Bilan d énergie généralisé : E 2 E 1 = W 1,2 + Q 1,2 avec E = U + M υ2 2 + M.g.z G

dv en [J] Par unité de masse : 1 δw = p.dv en [J/kg] Bilan d Energie interne (1 er PP) : m.

15 Système ouvert (régime permanent) m = cste m = ρ.υ.s Puissance mécanique W m = σ m (df p + df f ).v F p : Forces pression, F f : Forces frottement, v : vitesse Ex : travail massique de transvasement 2 w T 1,2 = v.dp 1 Par unité de masse : δw T = v.dp Bilan de puissance (1 er PP) : m.(h 2 h 1 ) = W m + Q e en [W]Ò h : enthalpie massique (fonction d état) h = e + p / ρ = e + pv e = u + υ2 2 + g.z W : énergie- travail (grandeur de parcours / transformation) Q : énergie- chaleur (grandeur de parcours / transformation)

dp 1 Par unité de masse : δw T = v.dp Bilan de puissance (1 er PP) : m.

16 Second principe de la thermodynamique et Bilan entropique Bilan d entropie pour transformation réversible : Création d entropie dans un système réel : ds = δq T ds = δq T ds dt = δ q + σ ech T ext q source T dv + d S gen Φ Φ S 2 S 1 = 2 1 δq T rev S 2 S 1 = 2 δq 2 + ds gen T 1 1

système réel : ds = δq T ds = δq T ds dt = δ q + σ ech T ext q source

17 Axial turb & comp Axial compressor Compresseur axial Axial turbine Turbine axiale

18 Bilan des transformations avec transvasement m = cste m(h f h i ) = W m + Q source Q m(s f s i ) = source + S gen T source W m : puissance mécanique / ext [W] Q source : puissance chaleur / ext [W] S gen : entropie générée [W/K] dh u = T.ds + v.dp (NB : hu est h avec ΔEc et ΔEp négligées) *** * Compresseurs et turbines S gen = m.(s f s i ) Cas d un Gaz Parfait : dh = c p.dt p.v = r.t ds = c p dt T r dp P * Sources de chaleur à p=cste S gensource = m.c p ln T f T i T f T i T source s f s i = c p ln T f T i r ln P f P i (Source chaude : Tsource = Tch ; Source froide : Tsource = Ta )

dp (NB : hu est h avec ΔEc et ΔEp négligées) *** * Compresseurs et turbines S gen = m.(s f s i ) Cas d un Gaz Parfait : dh = c p.dt p.v = r.

21 Classification des machines thermiques Fluide GP = air GP air Vapeur Type Moteur Capsulisme m = f (t) Cycle «ouvert» (Combustion) Moteur Combustion interne Cycle fermé Moteur Striling (Comb. Externe) Moteur à vapeur (locomotive cycle ouvert comb. externe) Moteur Transvasement m = cste Turbo-Moteur Turbo-réacteur Cycle fermé à GP (He ) HTGR Turbine à vapeur Récepteur Capsulisme m = f (t) Compresseur D air Pompe à vide (volumétrique) Machine Frigo PaC Récepteur Transvasement m = cste Cycle direct air PaC AéroRef Pompe à vide (Turbomoléculaire) Machine Frigo PaC

22 Turbo Machine à Vapeur («famille» Cycle Rankine)

23 Diagramme et table de l eau

24 Eléments Cycles vapeur

25 Cycle des centrales à combus2ble fossile Fig Coupe longitudinale d'une turbine à réaction de 700 MW à resurchauffe. Cette machine n'a que 4 échappements, chiffre très petit pour cette puissance. Elle correspond à la filière actuelle des centrales à combustibles fossi les (perles de sortie augmentées). Elle tourne à t/mn et cst du type à réaction. Les rotors sont constitués d'éléments soudés par leurs jantes. Les conditîons de vapeur sont 163 bars, 540 oc, 540 oc et il y a 37 étages de détente en série (cf. figure photo du même échappement).

26 2.'i!" t 66p 100m 65 m Q,05:.e ro b = 35 % 7." = 34,07 % Cycle des centrales nucléaires à eau pressurisée 53 m 2m K 65 m 33t C TV TPA PE SR K Réacteur nucléaire Turbine à vapeur Turbo pompc ali mentaire Poste d'eau Sécheur rcsurchauffeur Condenseur p pression, bar f température, oc Débits en % du débit massique mà la chaudière. Fig Schéma d'une centrale nucléaire à eau légère avec turbineà vapeur saturée. C'est le schéma retenu pour le palier technique français des centrales nucléaires à ea u pressurisée de MW. Il s'agit ici de la variante avec pompe alimentaire actionnée par turbine à vapeur à condensation. Fig Coupe d'une turbine nucléaire à réaction de MW tlmn à 6 échnppements. Cette machine foncûonne selon le et le cycle figure On remmque que le DUlii est en deux db l'admission. Les rolon portés par 5 palien sont en soudés. Les corps sont chaudronnés. La lonsue"r de machine est de 56,1 m (73,5 m avec l'alternateur). Le du ro tnr HP es t de 83 tonnes, cclui de chaque rotor BP218 tonnes. La icction d'échap[)cment totale l'si de 112 m'. La Inngueur des dernières aubes mobiles atteint mm et le de œttc rang«5,55 m.

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