Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Progiciels à équations d'état présélectionnées dédiés à une classe d'applications

Progiciels à équations d'état présélectionnées dédiés à une classe d'applications

Lorsqu'on s'intéresse à une classe d'applications donnée, il est souvent préférable d'utiliser un progiciel spécifiquement développé pour cet usage, dans lequel les équations d'état[1] ont été présélectionnées. Divers progiciels ont ainsi été mis au point pour calculer les propriétés des fluides utilisés en réfrigération ou pour la vapeur d'eau.

Remarque

Propriétés des corps purs

Progiciel AllProps

Le progiciel AllProps , développé par The Center for Applied Thermodynamics Studies, University of Idaho, Moscow, USA, permet de calculer les propriétés de corps purs (enthalpie, entropie, chaleur spécifique, etc…) pour diverses catégories de fluides (cryogéniques, hydrocarbures, réfrigérants…) dans diverses unités, avec production de tableaux et de graphiques.

Cette figure montre le calcul et le tracé par AllProps de la densité molaire du R134a, pour la pression de 10 bars.

Calcul de propriétés avec AllProps

Progiciel Thermoptim

Thermoptim est un environnement de modélisation des systèmes énergétiques très puissant, qui permet notamment de calculer automatiquement l'état complet (température, pression, volume massique, enthalpie, énergie interne, entropie, exergie , titre) de différents fluides, qui peuvent être des gaz idéaux ou des vapeurs condensables.

Ces fluides peuvent subir diverses transformations, comme les suivantes incluses dans le noyau commun :

  • des compressions et des détentes, en système ouvert[2] ou fermé. Elles peuvent être adiabatiques ou polytropiques, et sont caractérisées par leur rendement isentropique ou polytropique ;

  • des combustions, elles aussi en système ouvert ou fermé, à pression imposée, volume imposé ou température constante. Le combustible peut être introduit dans la chambre de combustion séparément du comburant, ou bien prémélangé. La dissociation du dioxyde de carbone peut être prise en compte ;

  • des laminages isenthalpiques ;

  • des transformations de gaz humides, mélanges d'un gaz sec et d'eau (ce dernier cas recouvre sept catégories d'évolutions différentes) ;

  • des échanges de chaleur entre fluides, le progiciel pouvant calculer le produit UA du coefficient d'échange thermique par la surface de l'échangeur, pour des configurations à contre-courant, co-courant, à courants croisés ou du type (p-n).

Dans la version de démonstration, sont disponibles :

  •  comme vapeurs pures : l'eau, l'ammoniac, l'azote, le butane, le méthane, le propane, le R11 (trichlorofluoromethane CCl3F), le R12 (dichlorodifluorométhane CCl2F2), le R13 (chlorotrifluorométhane CClF3), le R134a (1,1,1,2-tétrafluoroéthane C2H2F4) et le R22 (chlorodifluorométhane CHClF2)

  • comme gaz idéaux purs : Ar, CO, CO2, H2, H2O, H2S, He, N2, O2, SO2, SO3, CH4, C2H6, C3H8, C4H10

A partir des gaz idéaux purs, il est possible de calculer n'importe quel gaz composé.

L'écran des points présenté ci-dessous permet de définir un point et de calculer les valeurs prises par l'ensemble de ses fonctions d'état. Trois onglets permettent de sélectionner le mode de calcul approprié par défaut, d'une part pour les systèmes ouverts, les grandeurs saisissables étant alors la pression, et la température, l'enthalpie ou l'entropie, d'autre part pour les systèmes fermés, pour lesquels on saisit le volume, et la température, l'énergie interne ou l'entropie, et enfin pour les systèmes humides, comme l'air humide. Le choix du corps se fait en double-cliquant dans le champ où apparaît son nom.

Une fois un point défini et ses propriétés calculées, il peut être affiché dans l'un des diagrammes thermodynamiques interactifs qui sont disponibles dans le progiciel.

Calcul d'un point dans Thermoptim

Calculateur Inverseur Thermoptim-Light

Une applet permettant de calculer les propriétés thermodynamiques de quelques gaz idéaux et vapeurs est à votre disposition.

Ecran du calculateur

Progiciel Thermophase

Thermophase est un outil développé au Centre d'Energétique de l'Ecole des Mines de Paris. Il permet, pour différentes variables d'entrée, de calculer les propriétés thermodynamiques et thermophysiques d'un grand nombre de corps purs ou de mélanges azéotropiques. Il est téléchargeable gratuitement .

Calcul d'un point avec Thermophase

Macro Water97_v13.xla

Un exemple de progiciel utilisant les nouvelles équations de l'eau est l'ensemble de macros destinées au tableur Excel Water97_v13.xla mis au point par Bernhard Spang de Hambourg, téléchargeables gratuitement .

  Water97_v13.xla est une macro Excel qui fournit un ensemble de fonctions pour calculer les propriétés thermodynamiques et de transport de l'eau et de la vapeur en utilisant la norme IAPWS-IF97. Les fonctions disponibles permettent de calculer les propriétés suivantes dans l'état monophasique pour les températures 273,15 K < T < 1073,15 K et les pressions 0 < P < 1000 bars : masse volumique, énergie interne massique, enthalpie massique, entropie massique, capacité de chaleur isobare massique, capacité de chaleur isochore massique, viscosité dynamique, conductivité thermique.

D'autres fonctions fournissent la température d'ébullition en fonction de pression et la pression de vapeur saturante en fonction de la température ainsi que les huit propriétés ci-dessus pour l'état saturé liquide et vapeur, la température variant entre 273,16 K et 647,096 K, et la pression entre 611,657 Pa et 220,64 bars.

Progiciel Coolpack

CoolPack comprend six catégories de programmes de simulation qui peuvent être employés pour concevoir, dimensionner, analyser et optimiser des systèmes de réfrigération.

Une description de CoolPack et plusieurs exercices peuvent être trouvés dans la documentation (en danois et en anglais). Le progiciel CoolPack est gratuit. Il peut être distribué librement, mais il est demandé à tous les nouveaux utilisateurs de s'enregistrer.

CoolPack comprend notamment un calculateur de propriétés pour les réfrigérants (figure ci-dessous), un très intéressant calculateur de propriétés pour les caloporteurs utilisés en réfrigération (eau glycolée, saumures…), et un ensemble de diagrammes des différents réfrigérants.

Calculateur de propriétés de CoolPack

Remarque

Propriétés des corps purs et des mélanges

Progiciel RefProp

Refprop est un progiciel professionnel payant développé par le NIST aux Etats Unis, qui permet de calculer avec une grande précision les propriétés des fluides thermodynamiques utilisés en réfrigération, et notamment celles de nouveaux mélanges.

Il permet de générer des tables de valeurs et de tracer des diagrammes.

Voici le diagramme entropique du R 407C, fluide à glissement de température.

Diagramme entropique du R 407C

Progiciel Thermoblend

Thermoblend est un outil développé au Centre d'Energétique de l'Ecole des Mines de Paris. Il permet de :

  • calculer une propriété quelconque d'un fluide sur tous les domaines (température, pression, masse volumique, volume massique, entropie, enthalpie, chaleurs massiques, énergie interne, composition des différentes phases),

  • calculer et d’intégrer des propriétés d'un fluide dans un code de calcul,

  • connaître l'évolution des propriétés d'un mélange pour un changement de composition.

Tous les fluides (corps purs ou mélanges) couramment utilisés sont disponibles en bibliothèque. N'importe quel mélange de fluides purs peut être fabriqué par l'utilisateur. Une version de démonstration est téléchargeable .

Voici le diagramme (h, log P) de l'ammoniac établi par Thermoblend.

Ecran de calcul de Thermoblend

Progiciel Solkane

Le progiciel Solkane est un progiciel de calcul des propriétés thermophysiques des fluides développé par la société allemande Solkane, qui commercialise des réfrigérants. Il est téléchargeable gratuitement .

Il comprend :

  • une application autonome pour effectuer des calculs de propriétés pour différents réfrigérants, ainsi que des calculs complets de cycles de réfrigération, avec les diagrammes (T, s) et (h, log P) des réfrigérants, sur lesquels les cycles peuvent être tracés

  • des Dlls (Dynamic Link Libraries) permettant de coupler Solkane à des applications Windows

  • des macros pour effectuer de tels calculs à partir d'une feuille de calculs Excel

Les affichages sont possibles en français, anglais et allemand, mais seule la documentation allemande est complète.

Calcul d'un cycle frigorifique au 407C avec Solkane

Progiciel CalculAbs

CalculAbs est un petit utilitaire gratuit développé par le Pr. Pierre Neveu pour calculer des cycles à absorption utilisant le couple (LiBr-H2O).

Ecran de CalculAbs

Progiciel NH3-H2O

NH3-H2O est un outil téléchargeable gratuitement , développé au Centre d'Energétique de l'Ecole des Mines de Paris. Il permet de calculer l'état thermodynamique du couple (ammoniac-eau) utilisé dans les machines à absorption.

Il permet de sauvegarder dans un fichier une série de points calculés.

Ecran de calcul de NH3-H2O

Progiciel PsychroDream pour l'air humide

Le progiciel PsychroDream, développé par Francis Van Eeckhout, est téléchargeable gratuitement .

C'est un progiciel de psychrographie (diagramme de l'air humide de type "Carrier") et de calcul sur l'air humide, couplé à des outils de calcul spécifiques à l'air humide : mélange, refoidissement, humidification. Il est destiné aux climaticiens frigoristes et d'une manière générale à toute personne devant traiter de l'air humide.

La figure ci-dessous montre l'écran de calcul d'un point par PsychroDream, les données d'entrée étant la température et l'humidité relative.

Ecran de calcul de PsychroDream

D'autres progiciels pour l'air humide sont disponibles sur le site du COSTIC et sur celui de l'ASHRAE .

  Rappelons par ailleurs que Thermoptim permet de calculer les propriétés humides de n'importe quel gaz sec, y compris bien entendu l'air.

Ecran de calcul d'un mélange humide dans Thermoptim
  1. Equations d'état

    Pour une phase de masse unitaire, deux grandeurs suffisent pour déterminer l'état d'un système. Il en résulte qu'existent des équations reliant chaque variable d'état à deux d'entre elles indépendantes : v = f(P,T). On appelle équations d'état de telles relations, fondamentales en pratique. Selon le problème posé, on retient le plus souvent les couples suivants : (pression, volume), (pression, température), (température, volume).

  2. 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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