semaine 4 : exploration des modèles des cycles simples · ce navigateur écrit en java fait appel...

Polycopié : MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur / MS

Semaine 4 : Exploration des modèles des cycles simples

Objectifs pédagogiques

La quatrième semaine est consacrée à l’exploration dirigée de modèles des cycles simples réalisés avec le simulateur Thermoptim.

Après avoir commencé par étudier les fonctionnalités de ce simulateur, vous explorerez ces modèles à l’aide du navigateur Thermoptim, en suivant des scénarios pédagogiques qui vous permettront de mettre en pratique les connaissances acquises au cours des trois semaines précédentes.

Vous explorerez ainsi des modèles réalisés dans Thermoptim de centrales à vapeur, de turbines à gaz et de machines de réfrigération. Prévoyez une demi-heure de travail environ par modèle.

Chaque scénario comporte trois grandes parties :

1) Découverte du modèle, paramétrage initial, lien avec ce qui a été vu précédemment

2) Tracé dans le diagramme (h, ln(P))

3) Reparamétrages du modèle

A la fin de la semaine et du MOOC, vous devriez être capables de :

- utiliser le vocabulaire et les concepts de base de la thermodynamique appliquée aux systèmes énergétiques

- expliquer les propriétés thermodynamiques des fluides (sur le plan qualitatif)

- repérer leur correspondance dans les différentes zones du diagramme (h, ln(P))

- identifier les allures des isovaleurs et des évolutions de référence dans ce diagramme

- définir le premier principe de la thermodynamique

- utiliser les fonctions h, Q,

- établir des bilans énergétiques simples

- analyser l'architecture des exemples simples et en paramétrer les composants

- construire des cycles de ces exemples dans le diagramme (h, ln (P)).

85

24/02/2017

Support de cours

4.1 Explorations de modèles des cycles réalisés avec Thermoptim

A ce stade, vous avez appris à calculer sur diagramme les machines thermiques simples et disposez de tous les concepts permettant de passer à une autre étape : la modélisation avec un simulateur. Vous pouvez ainsi commencer à vous familiariser avec un outil comme Thermoptim.

Le grand intérêt d’utiliser un simulateur est la facilité avec laquelle vous pouvez faire varier l’ensemble des paramètres d’un modèle. De plus, les résultats que vous obtenez sont beaucoup plus précis que les calculs réalisés sur diagramme, où vous êtes amenés à faire des interpolations approximatives entre les différentes lignes d’isovaleurs.

Dans le cadre de ce cours, nous ne pensons pas indispensable que vous appreniez à construire par vous-mêmes des modèles. Si vous souhaitez le faire, des séances de cours en ligne détaillées sont par ailleurs à votre disposition dans le portail Thermoptim-Unit.

Nous pensons qu’avant de réaliser vos propres modèles, vous pouvez beaucoup apprendre en analysant des modèles existants grâce à des activités d’exploration guidées.

Un navigateur capable d'émuler Thermoptim permet d'effectuer des explorations dirigées de modèles de systèmes énergétiques dont le scénario est décrit dans des fichiers html. Cet outil vous guidera dans l’utilisation du simulateur.

Figure 4.1.1 : Ecran d'exploration


Le scénario est présenté dans le navigateur qui affiche successivement les différentes explications et activités à effectuer, en émulant Thermoptim chaque fois que nécessaire.

Le navigateur vous propose ainsi de retrouver des valeurs dans les écrans du simulateur, de le reparamétrer pour effectuer des analyses de sensibilité, d'afficher des cycles dans les diagrammes thermodynamiques...

Ce navigateur écrit en Java fait appel à des bibliothèques récentes. Pour le télécharger et l’installer sur votre ordinateur, suivez les indications fournies dans ce guide d’installation8.

Si jamais vous n’arrivez pas à les installer sur votre machine, les fichiers d’exploration peuvent être lus par un navigateur Internet classique comme Internet Explorer, Firefox ou Google Chrome, sans toutefois que Thermoptim puisse être émulé automatiquement.

Dans ce cas, au lieu de simplement cliquer sur le bouton d’émulation, il vous suffira de suivre les indications détaillées fournies dans la zone située sous ce bouton pour pouvoir charger dans Thermoptim les fichiers dont vous avez besoin.

Vous pourrez donc effectuer les exercices proposés même si le navigateur Thermoptim ne s’exécute pas sur votre ordinateur.

Vous n’aurez pas à construire par vous-même les modèles des cycles que vous étudierez, ce qui fait que vous ne perdrez pas de temps sur des erreurs de manipulation qui ne présentent pas d’intérêt pédagogique.

Les risques d’erreur diminuent ainsi considérablement, et, si elles surviennent, il vous suffira de réinitialiser le navigateur qui rechargera les fichiers dont vous avez besoin.

L'icône en haut à gauche de l'écran d’accueil (figure 4.1.2) vous donne accès aux différentes explorations disponibles.

La référence donnée correspond au numéro de la vidéo du cours à laquelle correspond l’exploration. Le code est le suivant :

- S pour le MOOC Modéliser et Simuler, C pour le MOOC Cycles Classiques et Innovants

Le chiffre qui suit la

8 https://ctc.mines-paristech.fr/NavThopt/index.html

Figure 4.1.2 : Ecran d'exploration

87

24/02/2017

lettre M est le numéro de la semaine, et celui qui suit V est le numéro de la vidéo dans la semaine.

Choisissez celle qui vous intéresse et suivez les instructions qui vous sont données.

Diverses activités peuvent être proposées selon les cas. Elles apparaissent présentées dans un certain ordre, mais peuvent être étudiées dans l'ordre que vous choisissez.

Au cours d'une activité, plusieurs choix de réponses vous sont proposés.

Le navigateur peut aussi vous demander d'entrer une valeur, par exemple lue dans un écran du simulateur, et il réagit à la valeur saisie, selon qu'elle se trouve ou non dans l'intervalle de précision défini.

Une exploration de découverte du progiciel (exploration S-M4-V1) vous permet de vous familiariser avec Thermoptim, mais il est préférable que vous preniez connaissance de la section suivante, beaucoup plus complète.

4.2 Initiation à Thermoptim

4.2.1 Généralités

Le progiciel 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.

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

Figure 4.2.1 : Modélisation avec Thermoptim


Cette semaine, vous allez apprendre à travailler avec ce simulateur. Vous explorerez les cycles des systèmes énergétiques que vous avez étudiés depuis le début du cours, ce qui vous permettra de mettre en application ce que vous avez appris.

Vous retrouverez dans les écrans du simulateur de nombreuses notions que vous avez découvertes pendant ce cours :

- les composants qu’il met en œuvre correspondent précisément aux fonctions qui ont été identifiées précédemment

- les architectures des cycles se construisent en connectant ces composants dans l’éditeur graphique

- leur paramétrage s’explique très facilement par comparaison aux évolutions de référence

- les cycles peuvent être visualisés dans les diagrammes couplés au simulateur

Cette section vous permettra 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.

Précisons pour commencer que 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 extérieures au noyau du progiciel

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

89

24/02/2017

- 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

4.2.2 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.

4.2.2.1 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.

Comme le montre la figure 3.5.2, qui donne les capacités thermiques molaires de différents gaz, le modèle de gaz parfait n’est valable que pour les gaz mono-atomiques, loin de leur courbe de saturation. Pour les autres, il faut impérativement considérer le modèle de gaz idéal, sauf si on ne s’intéresse qu’à l’évolution du fluide sur un faible écart de température, et dans ce cas il faut prendre en compte la valeur du Cp à ce niveau de température.


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

4.2.2.2 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.

4.2.2.3 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

La figure 4.2.2 montre l’écran de sélection des corps, les listes des gaz composés protégés et des vapeurs condensables étant déployées.

La figure 4.2.3 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.

Figure 4.2.2 : Ecran de sélection des corps

Figure 4.2.3 : Ecran de définition de la composition d’un gaz composé

91

24/02/2017

4.2.3 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.

La figure 4.2.4 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.

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

4.2.4 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.

Figure 4.2.4 : Ecran d’un point


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.

La figure 4.2.5 montre l’écran d’une transfo détente, qui représente une turbine à vapeur.

Les écrans des transfos sont structurés de manière analogue.

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.

Figure 4.2.5 : Ecran d’une transfo

93

24/02/2017

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 polytropique9, 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 (figure 4.2.6).

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.

4.2.5 Autres fonctionnalités

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 (figure 4.2.7).

9 Ce paramétrage sera expliqué dans le MOOC CTC / Cycles Classiques et Innovants

Figure 4.2.6 : Ecran d’une transfo-point

Figure 4.2.7 : 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.

La figure 4.2.8 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.

La figure 4.2.9 montre l’écran de l’éditeur de schémas de Thermoptim, avec un agrandissement des icônes de la palette.

Figure 4.2.8 : Ecran du simulateur

95

24/02/2017

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

La figure 4.2.10 montre comment se présente un cycle de centrale à vapeur dans l’éditeur de schémas.

Figure 4.2.9 : Ecran de l’éditeur de schémas


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.

L’accès aux diagrammes thermodynamiques se fait par la ligne de menu Diagrammes interactifs du menu Spécial de l’écran du simulateur (figure 4.2.11).

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.

Figure 4.2.10 : Synoptique de la centrale à vapeur

97

24/02/2017

Les synoptiques que l’on obtient pour les cycles qui nous intéressent sont fournis dans les sections suivantes. Leur paramétrage est expliqué dans les explorations dirigées.

4.3 Centrale à vapeur (exploration S-M3-V7)

Le synoptique de la centrale à vapeur est donné figure 4.2.10.

4.4 Turbine à gaz (exploration S-M3-V8)

Figure 4.2.11 : Affichage des digrammes thermodynamiques

Figure 4.4.1 : Synoptique de la turbine à gaz


4.5 Machine de réfrigération (exploration S-M3-V9)

Figure 4.5.1 : Synoptique de machine de réfrigération avec surchauffe et sans sous-refroidissement

semaine 4 : exploration des modèles des cycles simples · ce navigateur écrit en java fait appel...

Documents