Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Notions de base sur Thermoptim

Généralités

Cette page présente les notions de base qu'il est préférable de connaître avant d'utiliser Thermoptim.

Thermoptim fournit un environnement de modélisation intégrant de manière profondément interconnectée un éditeur de schémas / écran synoptique, des diagrammes interactifs, des fonctions de simulation et une méthode d'optimisation.

Modélisation avec Thermoptim

C'est un outil qui a été créé pour faciliter et sécuriser la modélisation des technologies de conversion de l'énergie.

Cette page vous permet de vous initier aux principales notions qu'il importe de connaître pour pouvoir travailler avec Thermoptim. Toutefois, pour pleinement tirer parti des possibilités du progiciel, nous vous recommandons de la compléter en consultant les manuels de référence et les exemples de prise en mains disponibles dans la documentation de l'outil.

Thermoptim est composé :

  • d'un noyau comportant les éléments principaux, qui permettent déjà de modéliser de nombreux systèmes énergétiques,

  • mais qui peut être étendu pour représenter des éléments complémentaires non disponibles, ce qui rend cet environnement très largement personnalisable.

Trois catégories d'extensions peuvent être réalisées :

  • des corps, pour ajouter des fluides non disponibles dans le noyau

  • des composants représentant des technologies énergétiques particulières, comme des capteurs solaires ou des piles à combustible

  • des pilotes, qui sont des petits programmes qui prennent le contrôle de Thermoptim et permettent ainsi de piloter les calculs qu'il effectue.

Pour faire référence à ces extensions, on parle de classes externes, une classe représentant un élément de code Java, et l'adjectif externe indiquant qu'elles sont

Pour bien comprendre comment fonctionne Thermoptim, trois concepts de base doivent être présents à l'esprit :

  • les corps, qui permettent de caractériser les différents fluides mis en jeu

  • les points, qui représentent une particule élémentaire de matière

  • les transformations ou par raccourci les « transfos », qui servent à déterminer les évolutions subies par les fluides dans les divers composants, comme par exemple des compressions, des détentes ou des échauffements

Les corps

Pour représenter les différents fluides qui parcourent les systèmes étudiés, Thermoptim met en jeu quatre types de corps, dont les deux premiers sont les gaz.

Les gaz

Thermoptim comporte d'une part une vingtaine de gaz purs, et d'autre part autant de gaz composés qu'on le désire, définis par mélange des gaz purs disponibles.

Les gaz composés sont subdivisés en deux catégories, les gaz protégés dont la composition ne peut être modifiée par un utilisateur, et les autres, appelés non protégés. La raison de cette distinction est tout simplement d'éviter qu'une erreur de modélisation vienne modifier la composition d'un gaz connu, comme par exemple de l'air ou du gaz naturel

Les propriétés des gaz sont basées sur des modèles classiques : la loi Pv=rT et un développement de la capacité thermique Cp du gaz en fonction de la température pour les gaz idéaux, le gaz parfait correspondant au cas particulier où Cp est une constante.

Bien évidemment, ce type de modèle n'est valable que pour représenter les propriétés du fluide loin de sa courbe d'équilibre liquide-vapeur.

Les vapeurs condensables

Le troisième type de corps vient pour cela compléter les deux précédents : il s'agit de la vingtaine de vapeurs condensables, qui ne peuvent pas être mélangées, Thermoptim n'étant pas capable, dans le cas général, de calculer les propriétés d'un mélange de vapeurs.

Certains corps, comme par exemple l'eau, apparaissent à la fois comme gaz purs et comme vapeur condensable : il s'agit de deux modèles différents, que l'on sélectionne en fonction du problème à résoudre. Les noms des gaz comprennent toujours leur formule chimique, qui est notamment utilisée dans les calculs de combustion, et ceux des vapeurs sont généralement les noms usuels. Par exemple l'eau s'appelle H2O comme gaz, et eau comme vapeur.

Les corps externes

Le quatrième type de corps est celui des corps externes, qui peuvent soit être simples, entièrement calculés dans les classes externes de Thermoptim, ou bien des mélanges, dont le calcul est effectué dans des logiciels spécifiques, que l'on couple alors à Thermoptim.

Pour un utilisateur de Thermoptim, un corps est simplement repéré par son nom

Écran de sélection des corps

Cette figure montre l'écran de sélection des corps, les listes des gaz composés protégés et des vapeurs condensables étant déployées.

Ecran de sélection des corps

Cette figure montre l'écran de définition de la composition d'un gaz composé, ici le gaz naturel du terminal méthanier de Montoir de Bretagne, avec les noms des gaz purs qui le composent, et leurs fractions molaires et massiques.

Ecran de définition de la composition d'un gaz composé

Les points

Thermoptim définit par ailleurs des points, qui représentent une petite quantité de fluide, dont l'état thermodynamique peut être calculé en système ouvert ou fermé, lorsque sont connues par exemple la pression et la température.

Cette figure montre l'écran d'un point, qui peut être calculé en système ouvert ou fermé, ou bien permet de déterminer les propriétés des gaz humides, qui sont modélisés comme mélange d'eau et du gaz sec considéré comme idéal.

Pour paramétrer un point, il faut lui donner un nom, ici 3a, entrer le nom du corps qui lui est associé ou le choisir dans l'une des listes présentées précédemment, qui s'affichent lorsque l'on double-clique dans le champ du nom.

Ecran d'un point

Il faut ensuite définir un nombre suffisant de variables d'état, souvent la pression et la température, en vérifiant que le mode de calcul sélectionné (ici, P et T connus) est bien le bon.

Lorsqu'il s'agit d'une vapeur condensable, il est possible d'imposer soit la température de saturation, connaissant la pression, soit la pression de saturation, connaissant la température. Il faut alors préciser le titre, ici égal à 0.

Le point peut alors être calculé, en cliquant sur le bouton Calculer

Les transfos

Les transformations (appelées transfos dans Thermoptim) correspondent à des évolutions thermodynamiques subies par un corps entre deux états. Une transfo associe donc deux points tels que définis précédemment, un point amont et un point aval. De plus, elle spécifie le débit mis en jeu, et permet donc notamment de déterminer la variation d'énergie au sein du composant.

Les transformations les plus courantes ont été modélisées et sont directement accessibles dans le noyau. Connaissant l'état du fluide avant la transfo, Thermoptim peut alors résoudre soit le problème direct, soit le problème inverse. Dans le premier cas, connaissant les caractéristiques de la transfo, il calcule l'état à la fin de l'évolution et les énergies mises en jeu, et met à jour le point aval. Dans le second cas, il identifie les valeurs des paramètres de la transfo pour que l'évolution choisie conduise bien à l'état du point aval tel qu'il est défini.

Cette figure montre l'écran d'une transfo détente, qui représente une turbine à vapeur.

Les écrans des transfos sont structurés de manière analogue.

Ecran d'une transfo

Dans la partie supérieure gauche, apparaissent le nom de la transfo (ici turbine), son type (ici détente), le type d'énergie qui permet d'automatiser l'établissement des bilans (ici utile), et une option permettant d'imposer ou non le débit qui traverse la transfo. S'il n'est pas imposé, celui de la transfo située juste en amont est automatiquement propagé.

Dans la partie gauche, apparaissent en résumé les rappels de l'état thermodynamique des points amont et aval. Un clic sur un bouton afficher ouvre l'écran du point correspondant.

Dans la partie supérieure droite, apparaissent les boutons de navigation, d'ouverture et de fermeture et de calcul de la transfo.

C'est dans la partie inférieure droite que sont situées les options de paramétrage spécifiques à chaque transfo.

Les compressions et les détentes peuvent être calculées en systèmes ouverts ou fermés, en prenant une référence adiabatique ou non, et un modèle isentropique ou polytropique , avec un rapport de compression imposé ou calculé.

On a choisi ici une détente adiabatique, de rendement isentropique égal à 0,85. Le calcul du point aval est effectué en considérant le rendement connu.

Un point ne permettant pas de préciser le débit mis en jeu, il peut être nécessaire de créer des transfos particulières, appelées transfos-points.

Ecran d'une transfo-point

Une transfo-point relie un point avec lui-même, et spécifie le débit masse à prendre en compte. Elle correspond donc sur le plan technologique à un petit tuyau, et permet en particulier de représenter des entrées ou des sorties de fluide.

Autres fonctionnalités

Les nœuds

Les fluides mis en jeu parcourent les machines en formant des réseaux plus ou moins complexes qu'il faut pouvoir décrire. Les transfos correspondent à une partie de ces circuits. Elles sont complétées par trois types de nœuds, qui permettent de décrire les éléments du réseau où prennent place les mélanges et les divisions de fluides.

Dans un nœud, plusieurs branches de fluide sont reliées entre elles pour former une veine unique.

Ecran d'un nœud

Trois types de nœuds existent dans le noyau de Thermoptim : les mélangeurs, les diviseurs et les séparateurs de phase pour les fluides diphasiques.

Le simulateur

Cette figure montre l'écran du simulateur de Thermoptim, qui donne accès à la liste des points, en haut à gauche, à celle des transfos, juste en dessous.

La liste des nœuds apparaît en bas à gauche, mais il n'y en a pas dans cet exemple. Des échangeurs de chaleur peuvent aussi être définis, mais nous n'en parlerons pas pour le moment.

Un double-clic dans l'une des lignes permet d'afficher l'écran de point ou de transfo sélectionné.

Ecran du simulateur

L'éditeur de schémas

Cette figure montre l'écran de l'éditeur de schémas de Thermoptim, avec un agrandissement des icônes de la palette.

Ecran de l'éditeur de schémas

Si l'on excepte la flèche à gauche permettant de ramener la souris dans son état normal, on y distingue, de gauche à droite, les icônes qui permettent de sélectionner les différents composants et de les placer sur le plan de travail.

Il s'agit :

  • du A qui permet d'écrire un texte

  • puis des transfos du noyau, à savoir la transfo-point, l'échange de chaleur (échauffement ou refroidissement d'un fluide), la compression, la détente avec travail, la chambre de combustion et le laminage isenthalpique

  • le bloc suivant donne accès aux trois nœuds : mélangeurs, diviseurs et séparateurs de phase

  • l'icône suivante est le composant donnant le bilan synthétique

  • le Q sert à représenter une source de chaleur, destinée, essentiellement à des fins pédagogiques, à bien montrer que les systèmes échangent généralement de la chaleur avec l'extérieur

  • le bloc suivant donne accès aux trois composants externes

  • enfin, les deux dernières icônes permettent d'effectuer des zoom avant arrière du schéma

Synoptique de la centrale à vapeur

Les différents composants sont reliés par des traits fins noirs orientés dans le sens de circulation du fluide. L'état du fluide y est indiqué.

Un double-clic sur l'une des transfos permet d'afficher son écran. Un double-clic sur l'un des liens orientés ouvre le point correspondant.

Les liens bleus représentent ici des connexions aux sources externes, et le bilan du cycle apparaît dans un petit cartouche.

Les diagrammes

L'accès aux diagrammes thermodynamiques se fait par la ligne de menu Diagrammes interactifs du menu Spécial de l'écran du simulateur.

Affichage des digrammes thermodynamiques

Quand on double-clique sur la ligne « double-cliquez ici pour choisir le diagramme », la liste des types de diagrammes disponibles est proposée.

On peut ainsi choisir le diagramme désiré.

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