Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Structures productives et bilans exergétiques

Unites productives et dissipatives

A chaque composant du schéma physique correspond une unité productive ou dissipative (UPD).

Chaque UPD permet de dresser le bilan exergétique du composant : chaque unité reçoit des "combustibles" Fi qui peuvent être de trois types (exergie-chaleur ou exergie chimique, travail, ou encore exergie cédée par les fluides la traversant). Il en sort un ou plusieurs "produits" Pi, qui sont de deux types (travail ou augmentation d'exergie des fluides la traversant ).

Les ressources exergétiques étant de trois types possibles, et les produits de deux, une unité productive est représentée dans Thermoptim par un rectangle muni de trois ports d'entrée et deux de sortie, dont les couleurs sont différenciées pour distinguer les différents types de flux exergétiques et permettre de distinguer graphiquement les ressources et produits.

L'affectation des couleurs est la suivante pour les ports d'entrée :

  • rouge pour l'exergie chimique (combustibles)

  • bleu pour la puissance mécanique

  • vert pour l'exergie cédée par un fluide

Pour les ports de sortie :

  • bleu pour la puissance mécanique

  • vert pour l'exergie reçue par un fluide.

 Dans une structure productive, les UPD sont représentées par les rectangles, tandis que les lignes qui les relient correspondent aux flux d'exergie qui sont échangés : "combustibles" en entrée et "produits" en sortie.

Etant donné qu'un flux d'exergie peut être partagé entre plusieurs UPD, il est nécessaire d'introduire des pseudo-nœuds pour représenter les mélanges et les répartitions d'exergie. Dans la structure productive, les mélangeurs (ou jonctions) ont la forme de losanges, et les diviseurs (embranchements) celle de cercles.

L'exergie du fluide qui traverse un composant peut augmenter ou diminuer. Si elle augmente, il s'agit d'un extenseur d'exergie, si elle diminue il s'agit d'un réducteur d'exergie.

Composants extenseurs d'exergie

Un extenseur est représenté par une unité productive avec une jonction en sortie, à laquelle arrivent deux liens : celui issu du port vert de l'unité productive (flux exergétique de sortie), et celui correspondant au flux exergétique d'entrée.

Sur cette figure, l’exergie totale disponible en sortie du compresseur est la somme de deux valeurs :

  • d’une part le flux exergétique en entrée du composant, représenté par la transfo-point "entrée d’air", 

  • d’autre part la variation d’exergie communiquée au fluide dans le compresseur, lequel la reçoit sous forme mécanique.

Le pseudo-mélangeur ou jonction "j_compresseur" sert à modéliser cette sommation.

Composants réducteurs d'exergie

Un réducteur est représenté par une unité productive avec un embranchement en entrée, dont partent deux liens : celui aboutissant au port vert de l'unité productive ou dissipative (flux exergétique d'entrée), et celui correspondant au flux exergétique de sortie.

Sur cette figure, l’exergie totale disponible en amont de la turbine se décompose en deux parties :

  • d’une part celle qui sert de "combustible" à la turbine et est convertie sous forme mécanique

  • d’autre part celle qui reste disponible en sortie de turbine.

Le pseudo-diviseur ou embranchement "b_turbine" sert à modéliser cette répartition.

Ecrans de bilan exergétique

Un double-clic sur l'unité productive ouvre  un écran de bilan exergétique de composant, qui permet de préciser certains paramétrages en vue de calculer les ressources et les produits exergétiques, ainsi que les irréversibilités et le rendement exergétique du composant (cf. figures ci-dessous).

Bilan exergétique d'un composant turbine

La figure ci-dessus montre l'écran d'un composant turbine : la ressource exergétique provient de la variation d'exergie du fluide qui le traverse (DeltaXh+), le produit est la puissance mécanique (tau+), l'efficacité exergétique et la valeur des irréversibilités sont aussi déterminées.

Bilan exergétique d'une transfo échange avec échange interne

Lorsque le composant est du type " échange", différentes possibilités existent :

  • lorsqu'il s'agit d'une entrée ou une sortie de fluide, ce qui correspond à une transfo-point reliée uniquement en amont ou en aval, son exergie doit être comptabilisée dans le bilan, en déterminant sa contribution exergétique par rapport aux conditions de référence ;

  • s'il s'agit d'une sortie de fluide avec rejet dans l'environnement, l'exergie est perdue, ce qui constitue une irréversibilité. Si au contraire cette exergie est valorisée en externe, il s'agit d'un produit exergétique sans irréversibilité ;

  • lorsqu'il y a des échanges de chaleur internes, comme c'est le cas dans les cycles combinés, le calcul de la perte exergétique demande aussi à être modifié : elle est égale, en valeur absolue, à la somme des variations d'exergie des deux fluides qui échangent de la chaleur. L'écran des bilans exergétiques de composant comporte une option ( Internal exchange) pour spécifier ce paramétrage, et, dans le bilan exergétique global, les variations d'exergie des fluides concernés sont indiquées entourées de parenthèses, les deux transfos d'un échangeur étant regroupées l'une à côté de l'autre pour plus de clarté ;

  • enfin, lorsque l'échange de chaleur a lieu avec une source d'énergie externe, l'exergie-chaleur mise en jeu doit être évaluée, ce qui suppose que la température de la source soit connue. L'écran de calcul est muni d'une option permettant de spécifier cette situation ( External source), et d'un champ destiné à entrer la température de la source.

Remarque

Exemples de structures productives et bilans exergétiques associés

Trois de ces exemples sont présentés dans le guide de prise en mains de l'éditeur de structures productives.

Centrale à vapeur

Structure productive d'un cycle à vapeur

Cette structure productive s'interprète de la manière suivante : la centrale à vapeur est une machine qui reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau de la chaudière, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau de la pompe, qui sont les deux unités productives à gauche de l'écran. Cette exergie est pour partie convertie sous forme mécanique dans la turbine et pour partie dissipée dans le condenseur. Le travail net correspond à la fraction de puissance mécanique non recyclée.

Bilan exergétique pour le cycle à vapeur obtenu à partir de la structure productive

 Turbine à gaz avec cogénération

Structure productive

Cette structure productive s'interprète de la manière suivante : la turbine à gaz reçoit du combustible un apport d'exergie chimique, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau du compresseur. Cette exergie est convertie pour partie sous forme mécanique dans la turbine et pour partie sous forme thermique dans le générateur de vapeur récupérateur HRSG, le reliquat étant dissipé par rejet dans l'atmosphère. Le travail net correspond à la fraction de puissance mécanique non recyclée.

Bilan exergétique

Cycle combiné

Structure productive

La structure productive du cycle combiné s'interprète de la manière suivante : la turbine à gaz reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau de la chambre de combustion, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau du compresseur. Cette exergie est pour partie convertie dans la turbine et rejetée à l'extérieur dans les gaz d'échappement, et pour partie transmise au cycle à vapeur par les échangeurs du générateur de vapeur récupérateur. Ce cycle reçoit aussi, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau de la compression liquide. L'exergie disponible est partiellement convertie dans la turbine à vapeur, le reste étant dissipé dans le condenseur.

Bilan exergétique

Machine frigorifique

Structure productive

Cette structure productive s'interprète très simplement : la machine frigorifique reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau du compresseur. Cette exergie est pour partie convertie dans l'évaporateur (effet frigorifique), le reste étant dissipé dans le condenseur et  le détendeur (laminage).

Bilan exergétique

Cycle de réfrigération bi-étagé à injection totale

Structure productive

Cette structure productive s'interprète comme ceci : la machine frigorifique reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau des deux compresseurs. Cette exergie est est pour partie convertie dans l'évaporateur (effet frigorifique), le reste étant dissipé dans le désurchauffeur et le condenseur et les détendeurs (laminages).

Bilan exergétique

Référence

Valero, A., Serra, L., Uche, J., Fundamentals of thermoeconomics, lectures 1-3, Euro summer course on sustainable assesment of clean air technologies, téléchargeable sur le site Web du CIRCE.

Tome 4 du manuel de référence de Thermoptim.

Le document ci-dessous présente un tableau montrant comment les différents types de composants du noyau de Thermoptim sont représentés sous forme d'UPD.

representationUPD.pdf

copyright R. Gicquel

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