2023-2024 / MECA0006-1

Cooling and low-temperature heating systems

Durée

26h Th, 26h Pr, 4h Proj.

Nombre de crédits

 Master : ingénieur civil en génie de l'énergie, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil électromécanicien, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil mécanicien, à finalité5 crédits 

Enseignant

Vincent Lemort

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue anglaise

Organisation et évaluation

Enseignement au deuxième quadrimestre

Horaire

Horaire en ligne

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 et de pompe à chaleur à compression de vapeur), les machines trithermes, les chaudières, mais aussi des techniques plus innovantes (par exemple, la climatisation solaire ou la micro-cogénération). Le stockage thermique (sensible et latent) occupe une place centrale dans le cours. Les techniques de refroidissement passives (qui visent à réduire la consommation électrique associée au refroidissement) sont également décrites.

 

 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.

 

L'organisation du cours est la suivante :

  • Cours 1 : Machines volumétriques en modes compresseur et expanseur : machines à pistons
  • Cours 2 : Machines volumétriques en modes compresseur et expanseur : à vis, à palettes, à lobes, à piston roulant et « scroll »
  • Cours 3 : Échangeurs de chaleur : classification, modélisation, dimensionnement
  • Cours 4 : Échangeurs de chaleur avec transfert de masse : batteries de refroidissement et de séchage, tours de refroidissement
  • Cours 5 : Systèmes de stockage thermique sensible et latent (glace, MCP)
  • équipements de chauffage, de refroidissement, de séchage et d'humidification de l'air,
  • Cours 6 : Machines frigorifiques et pompes à chaleur à compression de vapeur : machines conventionnelles (chillers, pompes à chaleur), modélisation
  • Cours 7 : Machines frigorifiques et pompes à chaleur à compression de vapeur : cycles avancés (cycles biétagés, à injection, en cascade), application au froid commercial, à la cryogénie et aux pompes à chaleur à haute température.
  • Cours 8 : Machines trithermes : machines à sorption et à cycle à éjecteur
  • groupes de production d'eau glacée, climatiseurs, différentes variantes des systèmes de pompes à chaleur, machines biétagées et en cascade
  • Cours 9 : Chaudières
  • Cours 10 : Systèmes de petite et moyenne cogénération : moteurs à combustion internes, machines Stirling, piles à combustibles, ORC
  • Cours 11 : Collecteurs solaires : collecteurs plans, collecteurs à tubes sous vide
  • Cours 11 (alternatif) : Caloducs
  • Cours 12 : Refroidissement passif
 

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

A l'issue du cours l'étudiant maîtrisera les différentes techniques de production et de stockage 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 (ou 2) 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'examen, 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.

En fonction du temps disponible, une visite d'usine sera organisée.

Mode d'enseignement (présentiel, à distance, hybride)

Cours en présentiel

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

Les notes de cours consistent en les pdf des présentations powerpoint.

 

Modalités d'évaluation et critères

Examen(s) en session

Toutes sessions confondues

- En présentiel

évaluation écrite ( questions ouvertes )

Travail à rendre - rapport


Explications complémentaires:

L'examen consiste en une épreuve de théorie (3 points sur 20) et deux exercices (7 points sur 20 par exercice). L'épreuve de théorie, à livre fermé, est résolue par écrit. Les deux exercices seront résolus sur ordinateur (au moyen du logiciel EES). Les étudiants disposent 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 et modifications principales apportées au cours

Contacts

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

 

Association d'un ou plusieurs MOOCs