Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Modèles de dimensionnement technologique et de simulation en régime non-nominal

Dans les versions usuelles de Thermoptim,  les modèles de composants mis en oeuvre comportent certaines limites. Pour les dépasser, nous avons été conduits à distinguer deux niveaux dans les modèles auxquels nous ferons référence (leur dénomination a été choisie pour être la plus claire possible, mais elle n'est pas usuelle) :

  • les modèles phénoménologiques, les seuls jusqu'ici mis en œuvre dans Thermoptim, donnent accès au calcul des cycles thermodynamiques, indépendamment du choix d'une technologie de composants particulière ;

  • les modèles de dimensionnement technologique et de simulation en régime non-nominal fournissent non seulement les mêmes résultats que les précédents, mais permettent en plus de dimensionner précisément les divers composants et, une fois le dimensionnement technologique réalisé, d'étudier le comportement du système considéré en dehors des conditions de fonctionnement pour lesquelles il a été dimensionné.

L'analyse des systèmes énergétiques en régime non-nominal pose de nombreux problèmes beaucoup plus difficiles à résoudre que ceux que l'on rencontre lorsque l'on se contente d'étudier les cycles thermodynamiques sous l'angle purement phénoménologique au point nominal.

Considérons à titre d'exemple un cycle frigorifique simple, très aisément modélisable sur le plan phénoménologique avec les anciennes versions de Thermoptim. Pour paramétrer un tel modèle, l'utilisateur fixe les valeurs du débit, des pressions d'évaporation et de condensation ainsi que celle du rendement isentropique du compresseur, mais il n'a à préciser ni les surfaces d'échange mises en jeu, ni le type de compresseur utilisé (piston, spirale, centrifuge…). Thermoptim lui permet alors de calculer l'état[1] thermodynamique de tous les points du cycle ainsi que les énergies mises en jeu.

Editeur de schémas de Thermoptim/Modèle de cycle frigorifique

Pour que le modèle puisse effectuer un véritable dimensionnement technologique, il faut en plus pouvoir spécifier le plus précisément possible le type et les dimensions géométriques des divers composants utilisés. Dans le cas d'une machine frigorifque, il faut choisir un compresseur dans une liste de compresseurs disponibles sur le marché. S'il s'agit d'une machine volumétrique, il faut au moins fournir sa cylindrée et les lois d'évolution de ses rendements volumétrique et isentropique en fonction du rapport de compression, de sa vitesse de rotation et éventuellement de son facteur de charge. Pour les échangeurs, il faut pouvoir calculer les nombres adimentionnels gouvernant les échanges entre les fluides mis en jeu et les parois (nombres de Reynolds, de Prandtl, de Nüsselt), fixer les configurations d'écoulement, les surfaces d'échange

En effectuant ces choix technologiques, l'utilisateur détermine indirectement certains paramètres sur lesquels il pouvait auparavant jouer librement. Par exemple, dans le cas d'un compresseur volumétrique, le débit mis en œuvre n'est plus nécessairement exactement celui qui était désiré : il dépend de la cylindrée, du rapport de compression, du volume massique à l'aspiration, du rendement volumétrique…

Pour qu'une simulation en régime de fonctionnement non-nominal soit faisable de manière réaliste, il faut être capable non seulement d'effectuer le dimensionnement technologique de chaque composant, mais aussi de qualifier les interactions entre les différents composants dues à leur adaptation aux nouvelles conditions opératoires.

Implémentation informatique, documentation

 La solution informatique a été de combiner l'utilisation :

  • de classes de dimensionnement technologique  ;

  • d'un pilote qui prend la main sur le moteur de recalcul automatique pour effectuer des études de comportement en régime non-nominal.

Les classes de dimensionnement technologique complètent celles du noyau en permettant la prise en compte des équations propres aux choix technologiques effectués, comme par exemple le calcul du coefficient d'échange thermique U d'un échangeur de chaleur, ou bien le débit et le rendement isentropique d'un compresseur.

Le pilote assure quant à lui la coordination systémique des calculs relatifs aux différents composants qui entrent en jeu. Il recherche un ensemble de variables de couplage cohérent avec le problème physique et technologique posé, et permet ainsi de modifier le paramétrage du projet Thermoptim.

Une nouvelle simulation est effectuée pour chaque jeu de variables d'entrée du modèle, et donne lieu à sauvegarde d'un fichier de projet. L'ensemble des simulations peut ensuite être exploité en utilisant la Macro Excel de post-traitement conçue à cet effet.

Les implémentations de ces nouvelles fonctionnalités de Thermoptim sont pour l'essentiel effectuées sous forme de classes externes, ce qui offre une grande latitude aux utilisateurs pour les personnaliser.

La version classique phénoménologique de Thermoptim reste inchangée : elle est seulement complétée par une couche logicielle permettant de prendre en compte les modèles de dimensionnement technologique et de non-nominal.

Précisons toutefois que toutes les options de paramétrage offertes dans les écrans habituels (phénoménologiques) de Thermoptim ne sont pas nécessairement valides en régime non-nominal, et qu'il importe donc de prévoir, dans les classes externes que l'on développe, des tests destinés à vérifier leur conformité aux hypothèses des modèles retenus.

Compte tenu de l'étendue du domaine correspondant à ces problématiques, nous ne pouvons en aucun cas prétendre leur apporter des réponses exhaustives : nous limitons notre ambition à présenter, autour de quelques exemples relativement simples, le potentiel offert par les pilotes et les outils de dimensionnement technologique et de non-nominal.

A cette fin, le manuel de référence du progiciel a été complété par un tome 4 dédié à ces nouveaux développements .

Dans ce portail, vous trouverez plusieurs pages consacrées à ces développements, notamment l'une qui présente la problématique du dimensionnement technologique et du régime non nominal, et une autre qui fournit divers exemples de mises en application .

Nous vous renvoyons par ailleurs au tome 3 du livre Systèmes Energétiques, publié en février 2009, si vous êtes intéressé par davantage d'explications à ce sujet, notamment sur les modèles thermodynamiques considérés.

Remarque

Les versions de Thermoptim qui permettent d'effectuer les études de dimensionnement technologique et de fonctionnement en régime non-nominal sont les versions 1.7 et 2.7.

  1. Etat d'un système

    La notion d'état d'un système représente "l'information minimale nécessaire à la détermination de son comportement futur". Les variables d'état (températures, pressions...) constituent l'ensemble des grandeurs physiques (ou propriétés thermodynamiques) nécessaires et suffisantes pour caractériser complètement un système à un instant donné.

copyright R. Gicquel v2019.4

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)