2017-2018 / MECA0006-1

Machines et systèmes thermiques

Durée

30h Th, 30h Pr, 4h Proj.

Nombre de crédits

 Master en ingénieur civil électromécanicien, à finalité5 crédits 
 Master en ingénieur civil mécanicien, à finalité5 crédits 

Enseignant

Vincent Lemort

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue française

Organisation et évaluation

Enseignement au premier quadrimestre, examen en janvier

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

Le cours décrit les différentes techniques de production de froid et de chaleur à basse température. Le cours aborde les techniques conventionnelles (par exemple des cycles frigorifiques à compression de vapeur), mais aussi des techniques plus innovantes qui font encore l'objet de travaux de recherche et développement (par exemple, la climatisation solaire ou la micro-cogénération). Le cours présente en détails les machines et systèmes thermiques (ainsi que leurs composants) utilisés au travers des différentes techniques de production de froid et de chaleur à basse température. En parallèle, le cours décrit les méthodes de modélisation et simulation de ces machines et systèmes thermiques. L'approche empruntée pour la modélisation est pragmatique: la richesse de chaque modèle est adaptée à celle des informations effectivement disponibles et à la précision requise, selon les applications envisagées. Ce cours met également en avant l'aspect « système »: on cherche à voir comment les composants d'un système thermique peuvent interagir et comment on peut simuler le comportement de ce système dans différentes conditions et différents régimes de fonctionnement.
Le cours abordera les composants et machines thermiques suivantes : - Machines volumétriques en modes compresseur et expanseur : machines à pistons, à vis, à palettes, à lobes, à piston roulant et « scroll »
- Echangeurs de chaleur : équipements de chauffage, de refroidissement, de séchage et d'humidification de l'air, évaporateurs et condenseurs, tours de refroidissement, systèmes de stockage thermique sensible et latent
- Machines frigorifiques à compression de vapeur : groupes de production d'eau glacée, climatiseurs, différentes variantes des systèmes de pompes à chaleur, machines biétagées et en cascade
- Chaudières : chaudières au mazout, au gaz, à pellets
- Machine trithermes : machines frigorifiques à absorption, machines à éjecteur
- Systèmes de petite et moyenne cogénération : moteurs à combustion internes, machines Stirling, piles à combustibles, machines à vapeur, ORC
- Collecteurs solaires : collecteurs plans, collecteurs à tubes sous vide

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

A l'issue du cours l'étudiant maîtrisera les différentes techniques de production de froid et de chaleur à basse température. Il aura une bonne connaissance du fonctionnement des machines et systèmes thermiques (et de leurs composants) abordés dans le cours. Il sera capable de comparer ces machines et systèmes thermiques en termes de conditions opératoires (ordre de grandeur des températures, pressions, débits, puissances thermiques, mécaniques et électriques mis en jeu), de performances réalisées (rendement, efficacité, coefficient de performance) en régimes nominal et hors nominal et de maturité technique. Par ailleurs, l'étudiant sera capable de modéliser les machines et systèmes thermiques abordés dans le cours et d'appliquer ces techniques de modélisation à d'autres systèmes thermiques qu'il rencontrerait dans sa carrière d'ingénieur énergéticien.

Savoirs et compétences prérequis

Ce cours se situe dans le prolongement direct de MECA0002-1 (Thermodynamique appliquée et introduction aux machines thermiques). Il vise à comprendre le fonctionnement et modéliser les machines thermiques qui opèrent selon différents cycles thermodynamique. Le cours mettra en exergue les différentes irréversibilités (différences de température finies et pertes de charge dans des échangeurs de chaleur, pertes par friction, etc.) qui éloignent le cycle réel du cycle théorique.

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

Le cours consistera en 12 séances de 4 heures. Chaque séance comportera un exposé ex-cathedra de 2 heures directement illustré par une séance de 2 heures d'exercices sur ordinateurs. Les énoncés d'exercices sont distribués en début de séance aux étudiants et résolus au moyen du logiciel "EES" (Engineering Equations Solver). Le Répétiteur résout lui-même les exercices en même temps que les étudiants et ses calculs sont présentés en direct au moyen d'un projecteur LCD. Après la séance, les fichiers de calcul sont transmis par email à tous les étudiants. Le cours est aussi illustré par 1 séance de laboratoires qui donne l'occasion aux étudiants d'approfondir l'analyse des performances de machines et systèmes réels. Les laboratoires seront définis en fonction des projets de recherche en cours au laboratoire de thermodynamique. Il pourra s'agir de l'étude d'un compresseur, d'une chaudière, d'une pompe à chaleur, d'un climatiseur résidentiel, etc. Avant la date de l'exament, l'étudiant devra remettre un rapport décrivant le banc d'essais étudié, les mesures réalisées, leur analyse, le modèle de simulation de la machine thermique développé par l'étudiant et sa validation sur base des données expérimentales.

Mode d'enseignement (présentiel ; enseignement à distance)

Cours en présentiel

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

Des notes de cours sont disponibles. Elles font l'objet d'une révision annuelle et sont distribuées aux étudiants en fascicules séparés (et/ou en fichiers PDF) au fur et à mesure de l'avancement du cours.

Modalités d'évaluation et critères

L'examen consiste en une question de théorie (3 points sur 20) et deux exercices (7 points sur 20 par exercice). La question de théorie est préparée par écrit et défendue oralement. Les deux exercices seront résolus sur ordinateur (au moyen du logiciel EES) et feront l'objet d'une discussion. Les étudiants ne disposent pas des notes de cours pour résoudre les exercices. Le rapport sur la séance de laboratoire comptera pour 3 points sur 20). L'évaluation en seconde session est identique à celle en première session.

Stage(s)

Remarques organisationnelles

Contacts

Prof. Vincent Lemort Tel: 04/366 48 01 vincent.lemort@ulg.ac.be