Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Modèles disponibles sous forme de classes externes

Remarque

Cette page fournit des liens directs vers la modélothèque de Thermoptim

Modèles disponibles sous forme de classes externes

Cette page vous permet d'accéder directement à la modélothèque de Thermoptim, qui comporte cinq catégories de classes externes :

  • les corps externes

  • les transfos externes

  • les diviseurs externes

  • les mélangeurs externes

  • les pilotes

Pour chaque modèle, divers documents définissent la classe externe (leur nombre diffère selon la complexité du modèle) :

  • présentation du modèle

  • notice d'utilisation de la classe

  • code java de la classe externe

  • fichier extUser.zip ou extUser2.zip contenant la classe

  • fichiers de projet et de schéma d'un exemple

Historiquement, les classes externes ont commencé par être développées pour les versions 1.3 à 1.5 de Thermoptim. Lorsqu'elles ont aussi été adaptées à la version 2.5, deux jeux de fichiers sont proposés au téléchargement, signalés par V1 pour les anciennes versions, et V2 pour les nouvelles. Si rien n'est précisé, seule la version 1.5 est disponible.

Le tome 3 du manuel de référence de Thermoptim traite en détail du mécanisme des classes externes et de la manière de les construire. Toutefois, si vous cherchez seulement à les utiliser, il suffit de savoir les charger dans le progiciel, ce qui est expliqué plus bas dans cette page. Nous vous recommandons aussi de suivre la séance Diapason S07_ext , qui est consacrée à cette question.

Les liens ci-dessous vous donnent accès à des pages d'où vous pourrez télécharger les fichiers extUser.zip ou extUser2.zip contenant les classes externes. Pour que ces classes apparaissent dans Thermoptim, vous devez soit remplacer le fichier du même nom dans le répertoire d'installation du progiciel, soit en extraire les fichiers de classe compilés (d'extension .class) et les placer dans votre ancien fichier extUser.zip ou extUser2.zip.

Si vous utilisez une version de Thermoptim postérieure à 2.51, vous pouvez utiliser pour cela le gestionnaire de classes externes. Sinon, reportez-vous aux indications données dans le tome 3 du manuel de référence de Thermoptim .

Corps externes

Les corps externes vous permettent de d'introduire de nouveaux corps. Ces corps peuvent être purs, auquel cas vous devez définir les méthodes permettant de calculer l'état complet du corps connaissant sa température et sa pression, ainsi que quelques fonctions d'inversion de ses variables d'état.

Vous trouverez dans cette page quelques exemples de corps purs externes. Bien qu'ils ne soient pas listés ici, une série de frigoporteurs eaux glycolées et saumures, sont disponibles dans les bibliothèques standard de classes externes fournies avec le progiciel. Ils apparaissent dans la liste des corps externes de l'écran des points avec leur composition, sous la forme "prop. glycol water 40%" ou "NaCl brine 23%".

Les corps externes peuvent aussi être des mélanges externes. Jusqu'en 2005 en effet, les seuls corps de Thermoptim dont la composition pouvait être définie par l'utilisateur étaient les gaz composés : il était impossible de représenter des mélanges de fluides réels. Le mécanisme des corps externes a été aménagé pour pouvoir le faire, grâce à l'introduction d'un nouveau type de corps, appelé "mélange externe", les anciens corps externes étant rebaptisés "corps purs externes".

Un mélange externe est réalisé à partir d'un système, c'est-à-dire d'un jeu donné de corps purs (on peut ainsi aussi accéder à leurs corps purs), et sa composition est spécifiée dans un nouvel éditeur de mélanges externes.

Il importe de bien noter que la caractéristique distinctive des mélanges externes est de permettre de générer un ensemble de corps à partir d'un même système de corps purs. Ils sont en ce sens analogues aux gaz composés, la différence étant que les interactions entre les fluides réels sont beaucoup plus complexes qu'entre des gaz idéaux, de telle sorte qu'il faut spécifier non seulement les corps purs mis en jeu, mais aussi leurs modèles, les règles de mélange et un ensemble de paramètres additionnels.

Transfos externes

Les transfos externes sont les plus simples des composants externes. Elles correspondent au cas où le composant n'est traversé que par un seul flux de matière (dont la composition peut cependant changer). Dans l'éditeur de schémas, un tel composant n'a que deux connections, l'une en amont, l'autre en aval. Un exemple d'un tel composant est un capteur solaire, traversé par un fluide qui s'échauffe.

Diviseurs externes

Un diviseur externe reçoit en amont un seul flux de matière, mais il en sort au moins deux. Dans l'éditeur de schémas, un tel composant a au moins trois connections, l'une en amont, deux autres au moins en aval. Il s'agit d'un composant 1-n, n étant le nombre de branches qui en sortent.

Mélangeurs externes

Un mélangeur externe reçoit en amont au moins deux flux de matière, mais il en sort un seul. Dans l'éditeur de schémas, un tel composant a au moins trois connections, deux au moins en amont, et une en aval. Il s'agit d'un composant n-1, n étant le nombre de branches entrantes.

Quadripôles  

Un certain nombre de composants, comme par exemple une pile à combustible, reçoivent plusieurs flux de matière en amont, et il en sort aussi plusieurs en aval. De tels composants ne pouvant pas être représentés par un seul élément de Thermoptim, ils sont modélisés par le couplage d'un mélangeur externe amont et d'un diviseur externe aval. Etant donné que le couplage de deux nœuds est structurellement impossible, il est nécessaire d'introduire une transfo-point de liaison, dont le rôle est purement passif.

Pilotes

Un pilote est une classe externe permettant de piloter Thermoptim à partir d'une autre application, soit pour guider un utilisateur (tuteur intelligent), soit pour contrôler l'exécution du code (pilotage ou régulation, accès aux bibliothèques thermodynamiques). Piloter Thermoptim de l'extérieur a deux principales applications :

  • d'une part faciliter la mise au point des classes externes en les testant au fur et à mesure qu'elles sont définies

  • d'autre part donner accès à l'ensemble des bibliothèques non protégées pour différents usages (effectuer des traitements externes entre deux recalculs, guider un utilisateur dans un module de formation…).

Une des limites de Thermoptim est que le moteur de recalcul automatique n'assure que des couplages très restreints entre les composants, et presque uniquement lorsqu'ils sont connectés dans l'éditeur de schémas.

Un pilote externe permet de dépasser cette limite. Il peut :

  • observer l'état thermodynamique de tous les points et transfos

  • exécuter un algorithme de recherche de solution d'un jeu d'équations correspondant à un couplage fort entre plusieurs composants

  • reparamétrer l'ensemble du projet sur la base de la solution trouvée

  • effectuer des sauvegardes complémentaires de celles de Thermoptim

Ce sont ces fonctionnalités qui sont mises en pratique lorsqu'on utilise un pilote pour effectuer des simulations de fonctionnement en régime non-nominal

 Chargement des classes externes 

Pour charger une transfo externe (pour un nœud externe, la procédure est analogue), vous pouvez  opérer de deux manières, la première étant la plus simple :

  • soit, à partir de l'éditeur de schémas, construire le composant externe sous forme graphique, puis mettre à jour le simulateur à partir du schéma

  • soit, à partir de l'écran du simulateur, double-cliquer dans le bandeau du tableau des transfos, puis choisir "externe", et enfin sélectionner le type de transfo externe que vous désirez parmi la liste qui vous est proposée

Dans le cas d'une transfo externe, il s'agit par défaut d'un type "source / puits". Une fois cette transfo par défaut créée, double-cliquez sur l'intitulé "source / puits", ce qui vous donne accès à la liste de toutes les transfos externes disponibles. Choisissez celle que vous désirez, qui est alors chargée.

Bien évidemment, cette opération n'est effectuée que lors du premier chargement de la classe. Ses références sont ensuite sauvegardées dans le fichier de projet, ce qui permet de la recharger automatiquement lorsque vous réouvrez votre projet.

Pour en savoir plus sur l'utilisation des classes externes, lisez le document ci-dessous.

UtilExterne.pdf

Diffuseur adiabatique

Un diffuseur adiabatique est un organe fixe qui a pour fonction de transformer en pression une partie de l'énergie cinétique dont dispose un gaz. La vitesse relative initiale de l'air extérieur permet ainsi d'obtenir une compression dynamique dans le diffuseur d'entrée d'un turboréacteur : l'énergie cinétique de l'air aspiré y est convertie en énergie de pression.

Tuyère adiabatique

Une tuyère adiabatique est un organe fixe qui a pour fonction de transformer en énergie cinétique la puissance libérée par la détente d'un gaz.

Pilote pour turboréacteur

Le pilote pour turboréacteur permet d'assurer la coordination des mises à jour du diffuseur, de la tuyère et du rapport de compression dans l'ensemble du projet, de calculer les valeurs de la poussée spécifique et de la consommation par unité de poussée, qui ne sont pas directement fournies par Thermoptim, et d'effectuer des études de sensibilité en sauvegardant les résultats dans un fichier.

Corps externe "Dowtherm A"

Ce corps externe permet de modéliser une huile thermique utilisée comme fluide de transfert, notamment dans des capteurs solaires à concentration.

Corps externe eau au propylène glycol

Ces corps externes permettent de modéliser de l'eau glycolée utilisée comme fluide de transfert, notamment pour des applications de réfrigération.

Corps externe saumure (eau salée)

Ce corps externe permet de modéliser de l'eau salée utilisée comme fluide de transfert, notamment pour des applications de réfrigération.

Corps externe fluide de transfert à Cp ajustable

Ce corps externe permet de modéliser un fluide de transfert dont la valeur du Cp est ajustable.

Corps externe "LiBr_H2O"

Ce corps externe permet de modéliser le couple (LiBr-H2O) utilisé en particulier dans des machines à absorption.

Corps externe "sodium liquide (Na)"

Ce corps externe permet de modéliser le sodium liquide utilisé comme fluide de transfert, notamment dans des réacteurs nucléaires.

Corps externe "EauSolute"

Ce corps externe permet de modéliser une solution eau-soluté présentant un retard à l'ébullition.

Corps externe "EauSalee"

Ce corps externe permet de modéliser une solution d'eau salée présentant un retard à l'ébullition.

Capteur solaire à concentration

Le flux solaire reçu par le capteur est d'abord réfléchi sur les miroirs du concentrateur, puis il traverse généralement un vitrage destiné à isoler thermiquement le foyer où il est absorbé par une surface appropriée. La réflexion, la transmission à travers le vitrage, et l'absorption se traduisent par des pertes optiques, caractérisées globalement par une efficacité t. Dans les capteurs à concentration élevée, seule la composante directe du rayonnement solaire peut être dirigée vers le foyer, la composante diffuse ne pouvant être concentrée.

L'absorbeur s'échauffe et perd de la chaleur vers l'extérieur sous forme essentiellement de rayonnement et de convection. Cette perte peut être caractérisée par un coefficient de pertes thermiques U. Un fluide caloporteur refroidit l'absorbeur en emportant la chaleur utile qui est ensuite convertie ou transférée pour différents usages.

Tours de refroidissement à contact direct et indirect 

A contact direct

A contact indirect

Une tour de refroidissement est un échangeur d'un type particulier qui permet de rejeter de la chaleur dans l'air environnant sous forme à la fois de chaleur sensible et de chaleur latente du fait de l'augmentation de son humidité. En opérant de la sorte, il est possible de refroidir de l'eau jusqu'à une température supérieure de quelques degrés au-dessus de la température humide de l'air ambiant (et donc éventuellement inférieure à sa température sèche), ceci au prix d'une quantité d'eau consommée de l'ordre de 5% de celle que demanderait un refroidissement à eau.

On distingue deux grandes catégories de tours de refroidissement, d'une part celles dites à contact direct ou à cycle ouvert, et d'autre part celles dites à contact indirect ou à cycle fermé.

Les modèles que nous avons construits sont basés sur un raisonnement enthalpique global où sont supposées connues les conditions d'entrée et de sortie côté air et celles d'entrée côté du fluide à refroidir. Dans la tour à contact indirect, le refroidissement est assuré par l'intermédiaire d'un thermocoupleur

Membrane en céramique perméable à l'oxygène (Mixed ionic-electronic conducting MIEC)

A haute température (supérieure à 700 °C), la membrane céramique (figure 3.2) est un conducteur mixte ionique et électronique, qui laisse passer simultanément des ions O2- et des électrons, l'oxygène étant adsorbé en surface.

Refroidissement et condensation d'un gaz humide

Le diviseur externe cold battery permet de modéliser le refroidissement et la condensation de l'eau contenue dans des gaz humides. Il s'agit d'un modèle simplifié, qui comporte deux paramètres, la température de l'eau, et l'efficacité d'extraction de l'eau, qui représente le pourcentage (en volume) de l'eau condensée par rapport à l'eau entrante.

Modèle de batterie de refroidissement avec condensation

Le diviseur externe dehumidifying coil permet de modéliser le refroidissement et la condensation de l'eau contenue dans des gaz humides. Il s'agit d'un modèle précis, dont le paramètre est l'efficacité epsilon de la batterie froide.

Emissions de CO2

Le débit de CO2 est calculé par rapport au débit des gaz et à leur concentration en CO2, dans la même unité. Les émissions de CH4 et N2O sont calculées à partir du débit de CO2, en revenant aux énergies correspondantes.

Modèle de saturation d'un gaz humide

Ce modèle est du type quadripôle. Le saturateur se comporte comme un mélangeur humide, et est donc calculé comme tel. La classe Saturator est une variante du modèle d'humidification de gaz par lavage dans laquelle on ne connaît pas a priori la température de l'air humide ni celle de l'eau sortants.

Modèle de saturation d'un gaz humide par barbotage

Ce modèle est du type quadripôle. Le saturateur se comporte comme un mélangeur humide, et est donc calculé comme tel. La classe SpargingSaturator est une variante du modèle d'humidification de gaz par lavage dans laquelle on ne connaît pas a priori la température de l'air humide ni celle de l'eau sortants.

Réacteur shift CO

La réaction du gaz à l'eau (water gas shift en anglais) est souvent employée pour convertir le CO en CO2

CO2 + H2 <-> CO + H2O

C'est une réaction catalytique effectuée dans un ou plusieurs réacteurs, de cinétique lente, fortement influencée par la température. Elle permet généralement de convertir l'essentiel du CO, mais il en reste cependant trop pour certaines piles à combustible.

Combustion de biomasse

Il s'agit d'un modèle simplifié qui permet de simuler différents types de combustions de biomasse, et dans lequel il est possible de faire varier avec une assez grande souplesse la composition et l'humidité du combustible ainsi que les conditions de la combustion. La classe BiomassCombustion peut ainsi être utilisée aussi bien pour simuler une chaudière qu'un gazéifieur à tirage vers le bas.

Modèle d'humidification de gaz par lavage

Ce modèle du type quadripôle sert en particulier à laver un gaz de synthèse en sortie de gazéifieur de biomasse.

Réacteur pour un cycle CLC (Chemical Looping Combustion)

Le cycle CLC (Chemical Looping Combustion) est l'un des cycles innovants de production d'électricité faisant appel à l'oxy-combustion, où la chambre de combustion est remplacée par une enceinte à deux compartiments entre lesquels circule un oxyde métallique comme NiO. Dans l'une des enceintes, l'air est appauvri en oxygène du fait de l'oxydation du métal. Dans l'autre, l'oxyde est réduit et l'oxygène dégagé brûle avec un combustible. Le modèle du réacteur que nous avons construit est purement global. On considère que l'on se donne la température et la composition de l'air appauvri. Il devient alors possible de déterminer le débit d'oxygène transféré entre les deux compartiments du réacteur.

Modèles d'éjecteurs

Un éjecteur reçoit en entrée deux fluides généralement gazeux, mais qui peuvent aussi être liquides ou diphasiques :

  • le fluide à haute pression, appelé fluide moteur ou primaire ;

  • le fluide à basse pression, appelé fluide secondaire ou entraîné.  

Le fluide moteur est accéléré dans un convergent-divergent, créant une baisse de pression dans la zone de mélange, ce qui a pour effet d'aspirer le fluide secondaire.

Trois modèles d'éjecteur sont proposés :

  • la première concerne les vapeurs condensables (frigorigènes, vapeur d'eau…)

  • la seconde concerne le cas où un même gaz idéal est utilisé comme fluide moteur et secondaire

  • la troisième est une généralisation de la seconde pour le cas où les fluides moteur et secondaire sont deux gaz idéaux différents.

Echappement d'un moteur alternatif à combustion interne

Ce modèle permet de déterminer l'état des gaz d'échappement en sortie d'un moteur diesel ou à essence.

Absorbeur pour cycle à absorption LiBr-H2O

Un absorbeur est un composant dans lequel entrent le réfrigérant vaporisé et la solution pauvre préchauffée dans l'échangeur de solution, et duquel sort la solution riche, la chaleur extraite étant rejetée à l'environnement

Désorbeur pour cycle à absorption LiBr-H2O

Un désorbeur est un composant qui reçoit de la source chaude un flux de chaleur, et dans lequel entre la solution riche à haute pression, préchauffée dans l'échangeur de solution. Il en sort d'une part la vapeur de réfrigérant (H2O) presque pure, et d'autre part la solution appauvrie.

Evapo-concentrateur

Un évapoconcentrateur se comporte comme un diviseur recevant en entrée le produit à concentrer, et d'où sortent deux fluides, des buées (de la vapeur d'eau) et le produit concentré.

Désurchauffeur

Un désurchauffeur est un appareil qui permet de réduire partiellement ou totalement la surchauffe d'une vapeur. Ce modèle détermine le débit de liquide de désurchauffe nécessaire pour obtenir une température de sortie choisie, avec prise en compte éventuelle de pertes de charge.

Modèle de chambre flash

Lors d'une opération de dessalement, un des procédés consiste à effectuer un flash de l'eau salée, ce qui a pour effet de vaporiser une fraction du débit total et d'augmenter la concentration du soluté.   Une chambre de flash se comporte comme un diviseur recevant en entrée le produit à concentrer, et d'où sortent deux fluides, la vapeur d'eau et la solution concentrée. La chambre étant adiabatique, l'enthalpie de vaporisation est prélevée sur la solution aqueuse, dont la température baisse.

Cette classe fait appel aux corps externes "EauSolute" ou "EauSalee" qui permettent de prendre en compte le retard à l'ébullition, ce dernier étant fourni dans l'archive.

Modèle d'unité d'osmose inverse

Lors d'une opération de dessalement, un des procédés consiste à effectuer une osmose inverse. Une unité d'osmose inverse inverse se comporte comme un diviseur recevant en entrée l'eau salée sous pression, et d'où sortent deux fluides, le perméat correspondant à l'eau purifiée et la solution concentrée.

Cette classe fait appel aux corps externes "EauSolute" ou qui permettent de prendre en compte le retard à l'ébullition, ce dernier étant fourni dans l'archive.

Pilote de compresseur à air refroidi

Ce pilote a été construit pour étudier le comportement d'un compresseur volumétrique à air qui remplit un stockage d'air comprimé de volume donné à pression variable. L'air comprimé est refroidi avant stockage grâce à un échangeur à eau.

Pilote de machine frigorifique avec prise en compte de la charge de frigorigène

Ce pilote permet d'étudier un problème relativement complexe, celui de l'adaptation d'une machine frigorifique à la variation de la température extérieure ou de la vitesse de rotation de son compresseur. Dans cet exemple, les différents composants sont couplés par des équations non-linéaires :

  • tout d'abord, les niveaux de pression sont imposés par les équilibres thermiques des deux échangeurs à changement de phase, l'évaporateur et le condenseur, qui fixent les températures de saturation ;

  • quant au compresseur, il impose le débit volumique de frigorigène (en fonction de sa vitesse de rotation et du rapport de compression qui déterminent son rendement volumétrique), et donc le débit massique (fonction du volume massique de frigorigène à l'aspiration).

Les paramètres principaux de la machine frigorifique, à savoir les niveaux de pression et le débit, sont ainsi imposés par plusieurs composants fortement couplés dont le calcul ne peut plus être fait indépendamment. De surcroît, nous imposerons deux contraintes complémentaires : - nous prendrons en compte les pertes de charge dans les échangeurs ; - le sous-refroidissement sera déterminé en assurant la conservation de la masse globale de frigorigène contenu dans la machine.

Pilote de centrale à vapeur en régime non-nominal

Ce pilote permet d'étudier un problème relativement complexe, celui de l'adaptation d'une centrale à vapeur à la variation de la température du fluide de refroidissement ou de la pression maximale du cycle. Dans cet exemple, les différents composants sont couplés par des équations non-linéaires :

  • tout d'abord, la pression de condensation est imposée par l'équilibre thermique du condenseur, échangeur à changement de phase, qui fixe la température de saturation ;

  • quant à la turbine, elle impose le débit de vapeur (en fonction du rapport de détente et de la pression amont, ainsi que de sa vitesse de rotation si on en tient compte).

Les paramètres principaux de la centrale à vapeur, à savoir les niveaux de pression et le débit, sont ainsi imposés par plusieurs composants fortement couplés dont le calcul ne peut plus être fait indépendamment.

Création des fonds de diagrammes de mélanges externes pour Thermoptim

Comme expliqué dans le tome 3 du manuel de référence de Thermoptim, les classes externes permettent de définir des corps externes, et en particulier des mélanges externes dont le calcul est effectué par des serveurs de propriétés thermodynamiques.

Toutefois, ces corps n'étant pas inclus dans Thermoptim, le progiciel ne dispose pas de leurs diagrammes thermodynamiques. Pour pallier cette limitation, nous avons ajouté à la version 2.5 un nouveau type de diagramme, appelé diagramme de mélange externe, qui permet d'utiliser des diagrammes entropiques et des frigoristes simplifiés. Cette fonctionnalité n'est pas disponible dans la version 1.5.

La préparation des fonds de ces diagrammes peut être effectuée grâce à ce pilote particulier.

Pilote permettant d'ajuster le PCI d'un combustible

Ce pilote permet de modifier la composition d'un gaz pour ajuster son PCI a été mise au point, pour répondre à un problème rencontré par des industriels.

Pilote de moteur Stirling solaire

Ce pilote permet de calculer les performances d'un moteur Stirling solaire.

copyright R. Gicquel

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