Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

FAQ Thermoptim

Remarque

Cette foire aux questions cherche à répondre aux questions que se posent souvent les utilisateurs de Thermoptim

Que contient la documentation de Thermoptim ?

Réponse : La documentation du progiciel Thermoptim est composée de plusieurs parties complémentaires : - des notes de prise en mains permettent à un utilisateur de se familiariser rapidement (en moins d'une demi-heure) avec Thermoptim, soit en explorant un modèle existant, soit en en construisant un - le manuel de référence, lui même composé de trois tomes et des manuels des diagrammes interactifs. Le premier tome présente le progiciel dans son ensemble, l'éditeur de schémas et la méthode d'optimisation, le second traite du simulateur (écrans des différents types primitifs du progiciel et outils disponibles dans l'environnement de modélisation), et le troisième explique comment concevoir des composants externes pour étendre les possibilités de Thermoptim. - divers exemples commentés permettant à un utilisateur débutant de se familiariser avec le progiciel, en suivant pas à pas la construction de projets détaillés. Trois de ces exemples sont des extensions des notices de prise en mains. Enfin, une documentation succincte appelée "Référence rapide" est accessible à partir du menu Aide du progiciel, sous forme d'une fenêtre à onglets présentant les principales notions utilisées.

Où se trouve la documentation de Thermoptim ?

Réponse : La documentation du progiciel Thermoptim (sous format pdf) se trouve dans le dossier Doc_Fr du répertoire d'installation du progiciel. Elle est accessible à partir du menu Aide du simulateur. Il existe aussi une documentation succincte appelée "Référence rapide", toujours accessible depuis le menu Aide.

Qu'est-ce qu'une transfo-point ?

Réponse : Une transfo-point est une transfo "échange" dont les points amont et aval sont les mêmes. Elle peut perdre cette particularité au cours de l'évolution d'un projet, par exemple lorsqu'on lui connecte une autre transfo, car son point amont est alors changé. Elle redevient alors une simple transfo "échange". Ces transfos permettent en particulier de définir des entrées ou des sorties de fluide, de connecter des nœuds… Elles sont notamment utiles lors de la création de projets de grande dimension.

Comment peut-on changer l'unité des températures ?

Réponse : Dans Thermoptim, les températures peuvent être exprimées en °C ou en K. Le choix de l'unité des températures se fait dans l'éditeur des paramètres globaux (menu Aide de l'écran de projet), mais n'est pris en compte que lors du redémarrage de l'application.

Que représentent les différents types d'énergie ?

Réponse : Chaque transfo possède un type d'énergie qui permet de distinguer les énergies "payante", "utile" et "autre". L'énergie payante représente généralement la somme de toutes les énergies que l'on a dû fournir au cycle en provenance de l'extérieur. L'énergie utile représente le bilan net du cycle, c'est-à-dire la somme algébrique des énergies produites et consommées en son sein. L'efficacité du cycle est définie comme le rapport de l'énergie utile à l'énergie payante. Dans un cycle de de centrale de production d'électricité à vapeur, l'énergie payante est l'énergie fournie à la chaudière, et l'énergie utile est la différence entre l'énergie produite par la turbine et celle consommée par la pompe pour mettre l'eau en pression. L'énergie autre est la chaleur rejetée au condenseur. Dans un cycle de réfrigération à compression, l'énergie payante est l'énergie consommée par le compresseur, l'énergie utile est l'effet frigorifique (frigories extraites à l'évaporateur), et l'énergie autre est la chaleur à évacuer au désurchauffeur et au condenseur.

Pourquoi les points d'une transfo ne sont-ils pas supprimés lorsque la transfo l'est ?

Comment faire pour les supprimer ?

Réponse : Lors de la suppression d'une transfo, les points sont conservés pour éviter de perdre leur paramétrage et pour permettre de les réutiliser avec d'autres transfos. Il est possible d'identifier les points non reliés grâce au bouton "Rechercher les anomalies" de l'interface "Schéma - Simulateur", puis de les supprimer. L'option "non connecté" de la table de diagnostic des points (Menu Special>Outils de diagnostic) permet de rechercher tous les points non reliés à une transfo. Une fois ces points identifiés, leur suppression se fait à partir de leur écran.

Comment peut-on vérifier que les composants du simulateur et ceux de l'éditeur de schémas sont bien les mêmes ?

Réponse : L'interface Schéma / Simulateur (menu Special>Interface Schéma / Simulateur) affiche la liste des composants existant dans les deux environnements. En face de chacun d'eux, un "X" marqué dans la case "schéma" indique qu'il est présent dans l'éditeur de schémas, et un "X" dans la case "simulateur" qu'il est présent dans le simulateur. Vous pouvez ainsi facilement vérifier si votre modèle est décrit de manière cohérente dans les deux environnements. Attention : certains composants de l'éditeur de schémas n'ont pas d'équivalent dans le simulateur (les textes, les bilans et les utilités), et les transfos-points et les transfos échange sont différenciées dans l'éditeur de schémas mais pas dans le simulateur.

Pourquoi ne peut-on pas connecter directement deux nœuds ?

Réponse : La raison est structurelle : la définition logique d'un nœud se fait par association (1-n) de transfos : une transfo correspond à la veine principale, et n transfos correspondent aux branches, les transfos étant elles-mêmes reliées à des points, et ces derniers aux corps. Si l'on connectait directement deux noeuds entre eux, le point intermédiaire ne pourrait pas être défini, ni le débit mis en jeu...

Pourquoi n'y a-t-il pas dans l'éditeur de schémas propagation automatique du nom du corps dans les chambres de combustion, les mélangeurs et les composants externes ?

Réponse : Cela vient de ce que dans ces composants il peut y avoir changement de composition du corps. C'est toujours vrai dans les chambres de combustion, et parfois dans les mélangeurs ou les composants externes. Il faut donc que l'utilisateur spécifie le nom du nouveau corps.

Comment se fait-il que le calcul d'un échangeur ne se stabilise pas tout de suite ?

Réponse : Le dimensionnement des échangeurs se fait toujours avec l'hypothèse implicite que les propriétés thermophysiques du fluide restent constantes tout au long de l'échangeur, alors que cette hypothèse n'est pas faite lors du calcul des transfos. Il en résulte que, lorsque l'on recalcule une température sur la base des équations des échangeurs, de légers écarts peuvent exister entre la valeur du module d'échange et celle de la transfo correspondante. Si l'on veut une très bonne précision, il faut itérer en faisant plusieurs dimensionnements. Généralement deux ou trois suffisent.

Pourquoi y a-t-il quelque fois deux corps analogues dans les gaz purs et les vapeurs ?

Quelle est leur différence s'il y en a ?

Réponse : Il s'agit des mêmes corps, mais représentés avec des modèles différents. Par exemple la vapeur "eau" permet de connaître les propriétés de l'eau autour de sa courbe d'équilibre liquide-vapeur, tandis que le gaz pur "H2O" est modélisé comme un gaz idéal (et qui donc ne se condense jamais). Le gaz "H2O" peut entrer dans la composition de n'importe quel gaz composé, comme par exemple un produit de combustion, alors que la vapeur "eau" ne peut être mélangée à d'autres corps. Le zéro de référence pour les enthalpies des gaz idéaux est 1 bar et 25 °C, alors que pour chaque vapeur elle est spécifique.

Pourriez-vous nous faire un rappel sur la notion d'exergie, ce que cette notion représente, quelle est son utilité ?

Ainsi, que la définition du rendement exergétique.

Réponse : L'exergie : H - T0.S permet de situer une quantité d'énergie par référence à un niveau de température T0. Pour donner une image, 100 kW à 20°C ce n'est pas comme 100 kW à 800 °C. On ne peut pas en faire la même chose. Pour un système ouvert[1], la combinaison des 2 premiers principes de la thermodynamique amène à l'expression de la variation d'exergie entre l'entrée et la sortie. C'est le travail utile (récupérable) + la quantité de chaleur multipliée par (1 - T0/Tc) + la génération d'entropie. Le facteur multiplicatif (1 - T0/Tc) est le facteur de Carnot (rendement d'un cycle de Carnot fonctionnant entre T0 et Tc) . Le bilan d'exergie amène donc à additionner du travail et un travail idéal que l'on pourrait obtenir à partir de la quantité de chaleur considérée. Pour une machine ditherme, le rendement énergétique est W/Q ; le rendement exergétique est le rapport travail / travail idéal. Le rendement exergétique se déduit donc du rendement énergétique par le facteur de Carnot. Le choix de la référence de température T0 est délicat. Le rendement exergétique est une caractéristique intrinsèque d'une machine si on choisit bien la source froide (exemple température des rejets pour une turbine à gaz).

Comment choisir entre rendement poytropique et rendement isentropique ?

Réponse : Il y a 2 façons de prendre en compte qu'une compression ou une détente n'est pas isentropique. Soit on fait intervenir le rendement isentropique qui est le rapport du travail réel au travail théorique pour une détente et l'inverse pour une compression. Soit on cale un exposant polytropique k tel que pvk = cste. On peut trouver la valeur de k à partir des entrées sorties de la transfomation pevek = psvsk qui ont pu être déteminées à partir de l'approche précédente rendement isentropique).

Problèmes pour modéliser la combustion sur Thermoptim.

En effet, le logiciel nous affiche le message d'erreur :"il n'y a pas d'oxygène dans les réactifs" lorsqu'on lui demande de calculer alors que notre module de combustion intègre bien un port d'admission et un port d'entrée d'air parfait qui sort du compresseur.

Réponse : Pour que Thermoptim puisse calculer une combustion, il faut que le comburant ou le combustible comprenne de l'oxygène. Le corps "air parfait" est un gaz pur très particulier, qui n'a été introduit que pour permettre d'effectuer des calculs sur les gaz parfaits : il ne contient pas d'oxygène. Vous pouvez choisir le gaz composé protégé "air" ou "air atmosphérique", ou bien créer un gaz composé air humide si vous voulez prendre en compte l'humidité de l'air. Une autre erreur classique pour les combustions est de choisir comme combustible une vapeur au lieu du gaz idéal correspondant, comme par exemple la vapeur "methane" au lieu du gaz idéal pur "CH4 `méthane". Thermoptim calcule la combustion en décodant la formule chimique des différents composants des gaz idéaux représentant le comburant et le combustible.

Qu'appelle-t-on type primitif ?

Réponse : Les types primitifs de Thermoptim sont ses éléments de base : corps, transfos, noeuds, échangeurs de chaleur.

Qu'appelle-t-on type invalidé, calculable ?

Réponse : Un type primitif peut être calculable ou non. Il est calculable si toute l'information nécessaire pour le calculer est connue et valide. Cette information est de double nature : ses propres caractéristiques, et celle qui provient des autres types primitifs. Un type primitif peut être validé ou invalidé. Il est validé s'il était calculable et a été calculé. Il devient invalidé lorsqu'une partie de l'information nécessaire à son recalcul est modifiée. Un type primitif a des prérequis et/ou des subordonnés. Ses prérequis sont les autres types primitifs qui contiennent une partie de l'information dont il a besoin pour être calculé, et doivent donc être validés pour qu'il devienne calculable. Ses subordonnés sont les autres types primitifs dont il est un prérequis. Un type devient ainsi invalidé dans deux cas : soit si l'une de ses propres caractéristiques est changée, soit quand l'un au moins de ses prérequis est invalidé. Il est calculable quand tous ses prérequis sont validés. Les corps n'ont pas de prérequis, et certains types pas de subordonnés. Un projet suit l'évolution des types invalidés. Lorsque le bouton Recalculer de la fenêtre de projet ou de recalcul est activé, tous les types invalidés qui sont calculables sont calculés.

Pourquoi lors de la convergence du moteur de recalcul, y a-t-il toujours un certain nombre de types calculables et invalides?

Réponse : Le moteur de recalcul effectue un ensemble de calculs, puis s'arrête. Chaque fois qu'on le relance, il recalcule tous les éléments invalidés et calculables, ce qui en invalide d'autres. C'est volontairement que Thermoptim n'itère pas automatiquement.

Il arrive que le recalcul ne fasse rien alors que le nombre des calculables et invalidés change : est-que ça veut dire que le recalcul a convergé ?

Réponse : Cela veut dire que des calculs ont été effectués, mais sans que les énergies du bilan soient modifiées

Quel est l'intérêt de verrouiller, et donc d'empêcher la propagation de la nouvelle modification, et de faire un calcul avec les anciennes informations ?

Réponse : Simplement de remettre à jour les tables d'invalidation

Quel est l'ordre avec lequel le recalcul se fait ?

Réponse : C'est expliqué dans le tome 2 du manuel de référence de Thermoptim

Qu'est-ce qu'un composant multi-fonctionnel ?

Réponse : Dans les premières versions de Thermoptim, seuls étaient disponibles des composants que l'on peut qualifier de mono-fonctionnels étant donné qu'ils ne mettent en jeu qu'au plus une seule forme d'énergie (soit mécanique, soit thermique). C'est le cas des compresseurs et organes de détente adiabatiques, de loin les plus répandus, des détendeurs isenthalpiques, des échangeurs de chaleur fixes, des chambres de combustion... Les composants multi-fonctionnels sont plus complexes. Ils peuvent mettre en jeu plusieurs couplages thermiques à des niveaux de température différents, ce qui n'était pas modélisable dans les versions antérieures du progiciel.

Qu'est-ce qu'un thermocoupleur ?

Réponse : Le mécanisme des thermocoupleurs est destiné à compléter celui des échangeurs de chaleur en permettant à des composants autres que des transfos "échange" de se connecter à une ou plusieurs transfos "échange" pour représenter un couplage thermique. Il n'englobe pas celui des échangeurs : deux transfos "échange" ne peuvent pas être connectées par un thermocoupleur. Un tel mécanisme présente un grand intérêt, car il permet de représenter de nombreux couplages thermiques qui ne constituent pas pour autant un échange de chaleur classique, comme par exemple le refroidissement des parois de la chambre de combustion d'un moteur alternatif, une compression refroidie, et surtout des apports ou des extractions de chaleur au niveau de composants externes multi-fonctionnels.

  1. Systèmes ouverts et fermés

    Un système thermodynamique désigne une quantité de matière isolable de son environnement par une frontière fictive ou réelle. Ce système est dit fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur à travers ses frontières ; sinon il est dit ouvert. Les débutants sont souvent décontenancés par la distinction entre systèmes fermés et systèmes ouverts, ces derniers correspondant à un concept nouveau pour eux car au cours de leur scolarité de premier cycle, ils n'ont généralement étudié que des systèmes fermés (pour éviter la prise en compte des échanges de matière aux frontières).

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