Présentation de l’exercice

Cet exercice est principalement destiné à illustrer la manière de modéliser dans Thermoptim un cycle de réfrigération. Il est centré autour de l’étude d’un groupe de refroidissement d’eau d’une centaine de kW, utilisé pour conserver des produits alimentaires à une température de quelques degrés Celsius.

Cet exercice se décompose en plusieurs parties :

dans un premier temps, le schéma de l’installation étudiée est construit
il est ensuite transféré dans le simulateur et paramétré
le cycle est alors tracé dans le diagramme entropique, et comparé qualitativement avec le cycle de Carnot inverse
on montre enfin comment estimer l’impact d’un changement de fluide sur les performances thermodynamiques du fluide, le R12 étant remplacé par du R134a
énoncé de l’exercice (pdf, 5 Ko)

(Séance réalisée le 22/02/05 par Renaud Gicquel)

Exercice groupe frigorifique

Groupe refroidisseur d’eau de 100 kW

fluide : R12
pression d’évaporation : 3 bars
pression de condensation : 10 bars
débit de frigorigène : 0,836 kg/s
rendement isentropique de compression : 0,75
surchauffe à l’aspiration : 5 °C
sous-refroidissement : 5 °C

Ouverture de Thermoptim

deux écrans au démarrage :

éditeur de schémas
simulateur

Thermoptim

schéma du groupe frigorifique

compresseur
désurchauffe, condenseur
laminage
effet frigorifique

Thermoptim

interface schéma-simulateur

Thermoptim

Paramétrage du modèle

Lorsque les éléments du simulateur sont créés, Thermoptim initialise tous les points avec une pression de 1 bar et une température de 300 K, qu’il faut ensuite modifier en fonction des données du problème que vous étudiez.

Les deux activités qui suivent vont vous montrer comment paramétrer les points et les transfos, puis la suivante vous rappellera les valeurs que vous devrez saisir dans Thermoptim.

Paramétrage des points

double-clic sur un lien orienté (flèche) ou sur une ligne de la table des points
état d’une petite particule de matière

Paramétrage des transfos

double-clic sur un composant
évolution d’un débit-masse de fluide

Paramétrage des points et transfos

Paramétrez maintenant un à un les différents points, en veillant bien à entrer les valeurs des températures et des pressions connues, car Thermoptim ne les détermine pas automatiquement. Pour cela, opérez comme suit :

ouvrez le point 1 (R12 à l’état vapeur), et entrez une pression de 3 bars et choisissez l’option “imposer la température de saturation”, avec un titre égal à 1 et un écart Tsat égal à 5 °C, et cliquez sur “Calculer”, ce qui fixe la température à 4,2 °C environ.
ouvrez ensuite le point 2, et entrez une pression de 10 bars, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 3a et entrez une pression de 10 bars, à la température de saturation (41,7 °C), avec un titre égal à 1, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 3 dans les mêmes conditions, avec un titre égal à 0 et un écart Tsat égal à - 5 °C, et calculez-le
ouvrez le point 4 et entrez une pression de 3 bars, puis cliquez sur “Calculer”

Paramétrez ensuite les transfos, pour lesquelles les options par défaut s’appliquent :

ouvrez la transfo “compresseur”, dont le rendement isentropique vaut 0,75, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 2 (62,4 °C)

ouvrez les transfos “désurchauffe” et “condenseur”, et cliquez sur “Calculer”. Les températures des points amont et aval étant connues, les chaleurs mises en jeu sont calculées

ouvrez la transfo “laminage”, qui n’a pas de paramétrage particulier, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine le point 4 à la température de saturation (-0,81 °C) et un titre de 0,24

ouvrez la transfo “effet frigorifique”, qui peut maintenant être calculée, les points 4 et 1 étant connus

Le calcul du bilan global du cycle fait appel à la notion de type d’énergie, expliqué dans l’activité suivante.

Choix du type d’énergie

double-clic sur type d’énergie

Bilan et synoptique

R12
-1 °C
41 °C
3 / 10 bars
η = 0,75
COP = 4

Cycle sur diagramme (T,s)

interface diagrammes-simulateur

Cycle sur diagramme (T,s)

Cycle sur diagramme (h,P)

Comparaison cycle de Carnot

Changement de fluide frigorigène

Le modèle que vous avez construit vous a permis de déterminer avec précision les performances de la machine frigorifique étudiée. Nous avons considéré comme fluide le R12, mais son emploi est interdit depuis 1994 par le Protocole de Montréal. Dans les étapes suivantes, vous verrez avec quelle facilité on peut changer de fluide dans Thermoptim.

Les fichiers corrigés de l’exercice sont fournis dans l’archive téléchargeable depuis un des liens du bas de cette page.

L’intérêt qu’il y a à modéliser les cycles dans un progiciel est que les propriétés des corps sont calculées avec une grande précision et sans aucune difficulté. Une fois le modèle mis au point, vous pouvez le reparamétrer très simplement, ce qui vous permet de procéder rapidement à des études de sensibilité sur l’influence des divers paramètres.

Cette manière de faire comporte cependant un danger : que vous ne sachiez pas critiquer les valeurs fournies par le progiciel, ce qui peut vous conduire à accorder une confiance démesurée aux résultats qu’il fournit. Il peut arriver que le modèle ne soit pas bien construit, et que ses résultats ne soient pas justes, et il faut savoir diagnostiquer ce type d’erreurs. Pour cela, il est souhaitable que vous soyez capable de contrôler par vous-même ses résultats, au moins de manière approchée.

Vous trouverez ci-dessous un lien vers une note intitulée “Méthodologie de construction et de vérification des modèles” destinée à fournir aux utilisateurs de Thermoptim un certain nombre de recommandations basées sur l’expérience passée.

Thermoptim

Bilan et synoptique

R134a
-1 °C
41 °C
2,85/10,65 bars
η = 0,75
COP = 4