Ce cours est l'application du cours de Mécanique des fluides et de la Thermodynamique de la première année et des classes préparatoires aux machines.
Vous appliquez vos connaissances de Mécanique des fluides aux pompes, la machine que vous allez rencontrer le plus souvent dans votre vie d'ingénieur.
Vous appliquez vos connaissances de Thermodynamique aux machines frigorifiques et moteurs à combustion. J'ai choisi les machines frigorifiques parce que l'utilisation des pompes à chaleur (même technologie que les machines frigorifiques) est la façon de chauffer des maisons la moins émettrice en CO2 et nous avons deux beaux bancs de TP pour illustrer ces machines. J'ai choisi les moteurs à combustion parce que beaucoup d'étudiants s'y passionnent (avec comme extension le chapitre de Combustion, qui est nouveau pour vous) et nous avons un beau banc de TP pour illustrer cette machine.
- Choisir une pompe pour un certain débit dans un circuit hydraulique.
- Comprendre le fonctionnement des machines frigorifiques et des pompes à chaleur.
- Optimiser des moteurs à combustion afin de baisser la consommation et les émissions de CO2.
- Déterminer le débit d'air de la combustion afin de polluer le moins possible et déterminer la composition des gaz d'échappement
Connaissances en Mécanique des fluides et en Thermodynamique
Établir des équations locales et globales de bilan, les manipuler en estimant l'ordre de grandeur et les effets physiques associés aux différents termes, et les mettre en application dans les différents composants des systèmes énergétiques
Calculer les variables thermodynamiques dans une machine à fluide compressible :
· Tracer les cycles thermodynamiques associés aux différentes machines ;
· Calculer des bilans d'énergie sur les différents organes et sur les systèmes dans leur ensemble ;
· Calculer les vitesses et variables thermodynamiques globales au sein d’une machine.
Mettre en œuvre l'analyse dimensionnelle pour :
· Calculer les performances de turbomachines en similitude ;
· Classer les turbomachines en fonction de leur vitesse et diamètre spécifiques.
Analyser et déterminer les composants et le fonctionnement d’une machine énergétique
· Classer les différents types de turbomachines selon le sens du transfert d'énergie (machine réceptrice ou génératrice d'énergie mécanique), selon leur géométrie (machine radiale, mixte ou axiale) et selon le régime d'écoulement (compressible ou incompressible) ;
· Identifier sur un plan les différents organes d’une turbomachine (rotor, stator, volute, diffuseur, distributeur) ;
· Préciser les limites de fonctionnement dus aux effets de compressibilités
· Prendre en compte une problématique de cavitation dans un circuit de pompe :
◦ Comprendre l’origine physique de la cavitation et ses conséquences sur les turbomachines ;
◦ Avoir des notions sur le NPSH requis et disponible d'une pompe ;
◦ Calculer le NPSH disponible d’une pompe et analyser sa situation vis-à-vis de la cavitation connaissant son NPSH requis.
Proposer le dimensionnement à partir de l’analyse du cahier des charges d’un composant et d’un système énergétique, en mettant en place une démarche de résolution adéquate
Utiliser le triangle des vitesses et le théorème d’Euler, et en particulier :
· Appréhender les écoulements dans les référentiels absolu et relatif, tracer les triangles de vitesse en entrée et en sortie d'un étage ;
· Appliquer le théorème d’Euler pour les moments afin d'une part d'analyser l'énergie théorique échangée dans un étage, et d'autre part de dimensionner les angles, rayons et hauteurs d'aubage en entrée et en sortie d'une roue ;
· Etablir qualitativement les sens des transferts entre différents types d’énergie dans les aubages fixes et mobiles (énergie de pression, énergie cinétique).
Différencier les pertes (volumétriques, visqueuses, mécaniques,...) dans une turbomachine afin de tenir compte des rendements et d'établir un lien quantitatif entre puissance mécanique à l'arbre et puissance utile échangée avec le fluide.
Comparer différentes solutions technologiques en termes d'impacts environnementaux
Distinguer un réfrigérateur, d'une climatisation et d'une pompe à chaleur
. Comparer différentes pompes à chaleur en termes d'impacts environnementaux
Analyser et décrire le fonctionnement d’un moteur à combustion interne
· Comprendre le principe de fonctionnement d’un moteur à combustion interne ;
· Comprendre les différentes phases du cycle thermodynamique des moteurs à essence et diesel ;
. Comparer un moteur diesel à un moteur à essence en termes d'impacts environnementaux
· Appliquer les démarches pour déterminer la chaleur dégagée, la masse d’air nécessaire et la composition des gaz d’échappement émis lors d’une combustion.
· Faire le lien entre une combustion à mélange riche ou pauvre et la pollution.
Concevoir un bilan carbone pour un carburant et une entreprise
Turbomachines :
1. Fonctions des éléments constitutifs des machines (rotor, stator) ;
2. Types de machines (radiales, mixtes, centrifuges) ;
3. Similitude des turbomachines (coefficients de Rateau) ;
4. Vitesses et rayons spécifiques ;
5. Triangles des vitesses et théorème d'Euler ;
6. Phénomène de cavitation : origine et conséquences ;
7. Calcul du NPSH requis et disponible.
Machines thermiques :
8. Principe de fonctionnement d’un moteur à combustion interne ;
9. Cycles thermodynamiques des moteurs ;
10. Notions sur la combustion et la pollution.
11. Bilan carbone pour la combustion de différents combustibles. Bilan carbone pour une entreprise fabriquant des portes et volets.
En Turbomachines :
Machines à fluides – Principe et fonctionnement ; Michel Pluviose
Mécanique expérimentale des fluides ; Tome 2 ; R. Comolet
Hydraulics of pipelines ; J. Paul Tullis
Turbo-machines hydrauliques et thermiques ; Tome 2 ; M. Sédille
Turbomachines hydrauliques ; P. Henry
Thermodynamique et énergétique ; Tome 1 ; L. Borel & D. Favrat
En Machines thermiques :
Thermodynamics for engineers ; Merle C. Potter ; Schaum
Fundamentals of engineering thermodynamics ; Michael J. Moran
Thermodynamique et énergétique ; Lucien Borel
En Turbomachines : 3 séances de cours magistral suivi de 4 séances de exercices dirigés
En
Machines thermiques : 1 séance en autonomie, suivi de 3 séances de cours magistral, suivi de 5 séances d'exercices
dirigés
A part ça il y a aussi 12 h TPs en présence pour illustrer les cours et exercices.
1 Test concernant les CMs et EDs de Turbomachines : 1 h (compte pour 40 % de la note du cours Énergétique)
Documents autorisés : Tous documents de cours et formulaire autorisée, calculatrice autorisée. Les EDs ne sont pas autorisés.
1 Test concernant les CMs et EDs de Machines thermiques : 1 h (compte pour 40 % de la note du cours Énergétique)
Documents autorisés : 1 page manuscrite avec les équations utiles du chapitre Rappel de thermodynamique, Climatisation et Moteurs ; Le formulaire de Combustion sera fourni lors du test ; calculatrice, règle ; pas d'exercices
1 Test concernant les TPs (seulement ceux auxquels vous avez assistés) : 0,5 h (compte pour 20 % de la note du cours Énergétique)
Enoncés : sur SAVOIR