Découverte de Thermoptim

Introduction

L’objectif de cette exploration est de vous guider dans vos premiers pas d’utilisation de Thermoptim, en vous faisant découvrir les principaux écrans et fonctionnalités associés à un modèle de réseau de chaleur.

Vous découvrirez l’agencement des écrans des points et des transfos, la manière dont ils peuvent être reparamétrés et calculés.

Brève présentation du modèle de réseau de chaleur

Ce schéma présente un réseau de chaleur existant que l'on cherche à optimiser en utilisant la méthode du pincement.

schéma de réfrigérateurLe réseau de chaleur sert à assurer le chauffage de bâtiments et à chauffer l'eau chaude sanitaire.

Il peut récupérer de la chaleur en provenance deux sources :

Dans l'installation existante, des compléments de chaleur sont apportés sur les deux circuits d'utilisation des calories.

La puissance d'appoint totale à fournir dans l'installation existante est de 399 + 138,6 = 537,6 kW.

L'objectif de l'étude est d'essayer de la réduire

Modèle retenu

Comme on le sait, l'application de la méthode du pincement consiste à effectuer l'analyse des disponibilités et des besoins à partir des quatre fluides mis en jeu dans ce problème.

On construit pour cela les courbes composites, correspondant à ces fluides, ce qui permet de déterminer où se situe le pincement du problème.

La première étape consiste donc à modéliser ces quatre fluides dans Thermoptim.

Principaux environnements de Thermoptim

Lorsque vous lancez le navigateur Thermoptim, trois fenêtres sont ouvertes :

L’éditeur de schémas permet de décrire graphiquement et qualitativement le système étudié. Il comporte une palette présentant les différents composants représentables et un panneau de travail où ces composants sont placés et interconnectés par des liens vectoriels.

Le simulateur permet de quantifier puis de calculer le modèle décrit dans l’éditeur de schémas. Il comporte les listes des différents points, transfos, nœuds et échangeurs du modèle.

Ce document vous fournit davantage d’informations sur ces deux environnements.

Chargement du modèle

Le chargement du modèle se fait par ouverture du fichier de schéma et d’un fichier de projet paramétré convenablement.

Charger le modèle

Cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Vous pouvez aussi ouvrir le fichier de schéma (RDC2_1.dia) grâce au menu “Fichier/Ouvrir du menu” de l’éditeur de schémas, et le fichier de projet (RDC2_1.prj) grâce au menu “Fichier de projet/Charger un projet” du menu du simulateur.

Affichez la fenêtre de l’éditeur de schémas

Vous y voyez le schéma du modèle, qui représente quatre ensembles de composants analogues à celui qui est présenté ci-dessous, relatif au fluide assurant le refroidissement du four de fusion :

schéma du réseau de chaleur

Il comprend cinq composants :

Les quatre derniers composants sont reliés entre eux par deux types de liens

Vous remarquerez que, dans les deux premiers ensembles de cinq composants, les flèches sont orientées de gauche à droite, et de droite à gauche dans les deux suivants.

Nous l'avons fait pour distinguer les fluides qui se refroidissent de ceux qui se réchauffent, reprenant ainsi les conventions adoptées par la méthode pinch.

Pour la même raison, nous avons colorié en rouge les descriptifs des premiers, et en bleu ceux des seconds

Appuyez sur la touche F3, ou bien sélectionnez la ligne de menu Spécial/Affichez les valeurs.

schéma de réfrigérateur

Le schéma se transforme alors en synoptique de l’installation. Sur chaque lien entre deux composants apparaissent les valeurs de l’état thermodynamique du point d'entrée ou de sortie du fluide (nom du corps : eau, température : entre 65 °C et 40 °C, pression : 1 bar, enthalpie) et celle du débit mis en jeu : 4 kg/s.

La puissance thermique échangée apparaît à peu près au milieu du lien bleu qui existe entre la transfo échange et la source externe : 418,2 kW.

Si vous appuyez de nouveau sur la touche F3, ou bien sélectionnez la ligne de menu Spécial/Affichez les valeurs, les valeurs sont masquées.

Affichez la fenêtre du simulateur

Les différents éléments qui composent le modèle apparaissent dans les tables : 8 points et 12 transfos, avec leurs principales caractéristiques.

Un clic sur une des lignes permet d’afficher son écran.

Découverte des transfos

Une transfo sert à représenter l’évolution d’un fluide dans un composant de machine.

Au cours de cette étape, vous vous familiariserez avec les écrans des transfos.

Commencez par étudier les principales zones de leur écran, puis affichez une ou plusieurs de celles du modèle.

Écran d’une transfo

L’écran d’une transfo comporte quatre grandes zones, dont les trois premières sont communes à toutes les transfos :

Convention de signe

Par convention, on compte positivement les énergies et puissances reçues par un système, et négativement celles qu’il fournit à l’extérieur. C’est pourquoi l’énergie ou la puissance mise en jeu dans un compresseur est comptée positivement.

Afficher la transfo “Fluide 1_a”

Comment ouvrir l’écran d’une transfo ?

Il y a deux manières d’ouvrir l’écran d’une transfo : soit en double-cliquant sur son icône dans l’éditeur de schéma, soit en double-cliquant sur la ligne de la table des transfos depuis le simulateur.

À titre d’exercice, allez dans l’éditeur de schémas et double-cliquez sur la transfo “Fluide 1_a”.

Si vous n’arrivez pas à le faire, cliquez sur ce bouton

Découverte des points

Un point permet de déterminer l’état thermodynamique d’une petite particule de matière.

Commencez par étudier les principales zones de leur écran, puis affichez un ou plusieurs de ceux du modèle.

Écran d’un point

L’écran d’un point comporte trois grandes zones :

Plusieurs paramétrages sont possibles, notamment pour les vapeurs, pour lesquelles il est possible d’imposer la température ou la pression de saturation.

Ce document vous fournit davantage d’informations sur ces écrans.

Afficher le point “1”

Comment ouvrir l’écran d’un point ?

Il y a trois manières d’ouvrir l’écran d’un point :

  • soit en double-cliquant sur un lien entre deux composants dans l’éditeur de schéma
  • soit en double-cliquant sur la ligne de la table des transfos depuis le simulateur
  • soit en cliquant sur le bouton “afficher” du point amont ou aval depuis l’écran d’une transfo.

À titre d’exercice, allez dans l’éditeur de schémas et double-cliquez sur le lien entre les transfos "départ four fusion" et “Retour four fusion”.

Si vous n’arrivez pas à le faire, cliquez sur ce bouton

Le paramétrage de ce point est très simple : la connaissance de sa pression et de sa température permet d'en calculer l'état. C'est pour cela que l'option "non contraint" est cochée.

Les corps dans Thermoptim

Pour représenter les différents fluides qui parcourent les systèmes étudiés, Thermoptim met en jeu quatre types de corps :

  • les gaz purs,
  • les gaz composés
  • les vapeurs condensables
  • les corps externes

Affichage d’un corps

On affiche un corps dans Thermoptim en cliquant sur le bouton afficher situé dans la partie supérieure de l’écran d’un point.

Dans notre modèle, le seul fluide de travail est l'eau, vapeur condensable, dont l’écran des propriétés est donné ci-dessous.

Plusieurs paramétrages sont possibles, notamment pour les vapeurs, pour lesquelles il est possible d’imposer la température ou la pression de saturation.

Gaz purs

Thermoptim propose une vingtaine de gaz purs.

Les propriétés des gaz sont basées sur le modèle des gaz idéaux : la loi Pv=rT et un développement de la capacité thermique Cp du gaz en fonction de la température.

Le gaz parfait correspond au cas particulier où Cp est une constante.

Gaz composés

On peut définir dans Thermoptim autant de gaz composés qu’on le désire, obtenus par mélange des gaz purs disponibles

Les gaz composés sont subdivisés en deux catégories :

La raison de cette distinction est simplement d’éviter qu’une erreur de modélisation vienne modifier la composition d’un gaz connu, comme par exemple celle de l’air ou du gaz naturel.

Vapeurs condensables

Une vingtaine de vapeurs condensables représentent des fluides dans des zones proches de leur courbe d’équilibre liquide-vapeur.

Le modèle de gaz idéal est en effet alors insuffisant.

Corps externes

Ce sont des corps définis en dehors du noyau de Thermoptim, d’où leur nom.

Ils peuvent soit être des corps simples, entièrement calculés dans les classes externes de Thermoptim, ou bien des mélanges, dont le calcul peut être effectué dans des logiciels spécifiques, que l’on couple alors à Thermoptim.

Tracé d'un cycle dans le diagramme thermodynamique (h, ln (P))

Les diagrammes thermodynamiques constituent le troisième environnement de Thermoptim. Ils sont de différents types, et permettent de visualiser les propriétés des fluides.

Nous allons détailler un peu plus le diagramme (h, ln (P)), et indiquer comment changer le type de diagramme.

L'intérêt du diagramme (h, ln (P)) est qu'il est très facile à utiliser et que les énergies mises en jeu peuvent être directement lues sur l'axe des abscisses.

Diagramme (h, ln (P))

Dans le diagramme dit des frigoristes, on porte en abscisse l'enthalpie, et en ordonnée la pression, le plus souvent selon une échelle logarithmique, afin que la zone correspondant aux basses pressions soit plus lisible.

Son sommet correspond au point critique, la partie gauche, ascendante, représente l'ébullition commençante (courbe de bulle), et sa partie droite, descendante, la vapeur saturée (courbe de rosée).

Sous cette courbe se trouve le domaine de l'équilibre diphasique liquide-vapeur, et, dans le reste du plan, celui du fluide simple.

Cette figure, relative à l'eau, rappelle les noms des principaledus courbes  diagramme. (h,P) chart

Tracé du cycle dans le diagramme (h, ln(P))

Cliquez sur ce bouton

Vous pouvez aussi ouvrir le diagramme grâce à la ligne “Diagramme Interactifs” du menu “Spécial” de l’écran du simulateur, qui ouvre une interface qui relie le simulateur et le diagramme. Double-cliquez dans le champ situé en haut à gauche de cette interface pour choisir le type de diagramme souhaité (ici “Vapeurs condensables”).

Une fois le diagramme ouvert, choisissez “R134a” dans le menu Corps, et sélectionnez “(h,p)” dans le menu “Graphe”.

Modification éventuelle de la configuration des axes du diagramme

Si la configuration des axes de diagramme ne vous convient pas, vous pouvez la modifier en utilisant les lignes "axe X" et "axe Y" du menu Graphe. Une fenêtre de configuration est alors affichée.

Si vous cliquez sur la case « Graduations », des lignes verticales pour l'axe X et horizontales pour l’axe Y sont dessinées à l’écran, à l’échelle principale de l’axe.

Si vous cliquez sur la case « Échelle automatique », Thermoptim recherchera une échelle couvrant toutes les données relatives au fluide sélectionné.

L’échelle est logarithmique si vous cochez la case correspondante, et linéaire autrement.

Si la case « Échelle automatique » n’est pas cochée, vous pouvez saisir les valeurs minimales et maximales que vous souhaitez. Les valeurs des échelles principale et secondaire peuvent être calculées automatiquement ou saisies par vous, selon que la case « Auto » correspondante est cochée ou non.

Veuillez noter que si la case « Échelle automatique » est cochée, vos valeurs seront remplacées par celles que Thermoptim déterminera automatiquement.

Après avoir apporté vos modifications, cliquez sur « OK » pour enregistrer vos choix, et « Annuler » pour revenir aux valeurs précédentes.

Deuxième étape : chargement d’un cycle pré-enregistré, dont le tracé a été préalablement affiné afin d’être plus précis

Cliquez sur ce bouton

Vous pouvez aussi ouvrir ce cycle de la manière suivante :

  • dans la fenêtre du diagramme, choisissez “Charger un cycle” dans le menu Cycle,
  • et sélectionnez “frigo_allegeFrFin.txt” dans la liste des cycles disponibles.
  • Cliquez ensuite sur la ligne “Points reliés” du menu Cycle.

Repérage de quelques points caractéristiques dans le diagramme

Quel est le point en zone liquide ?

Quel est le point en zone diphasique ?

Quel est le point dont la température est la plus élevée ?

Troisième étape : changement de type de diagramme : affichage du diagramme entropique (T, s)

Pour afficher ce type de diagramme, cliquez sur ce bouton

Vous pouvez aussi afficher ce diagramme de la manière suivante : selectionnez "(T, s)" dans le menu "Graphe" de la fenêtre des diagrammes.

Si l’échelle de l’abscisse ou des ordonnées ne vous convient pas, modifiez-la à l’aide des menus « Graphe/Axe X » et « Graphe/Axe Y ».

Overall cycle performance, efficiency determination

Le bouton Bilan du simulateur est utilisé pour calculer le bilan global du projet.

Cliquez dessus pour afficher les valeurs des trois quantités qui lui sont associées, dont le sens est donné ci-dessous.

Types d'énergie des transfos

Chaque transfo dispose d’un type d’énergie qui permet de distinguer les énergies « payante », « utile » et « autre » :
  • l’énergie payante représente l’énergie fournie au cycle de l’extérieur, par exemple le travail fourni au compresseur
  • l’énergie utile représente l’effet énergétique utile, par exemple la chaleur extraite de l’évaporateur pour une installation de réfrigération
  • l'énergie autre est la valeur par défaut

Bilan global

Nous avons vu auparavant que le bilan du cycle apparaît à la fois dans l’éditeur de schémas et dans l’écran du simulateur.

Voyons comment il est calculé. Pour ne pas alourdir le discours, nous parlons ici d’énergies, mais le raisonnement est bien sûr aussi valable pour les puissances.
Le bilan global du cycle est établi en additionnant les types d’énergie des différentes transfos :
  • l’énergie payante représente généralement la somme de toutes les énergies qui ont été fournies au cycle venant de l’extérieur
  • l’énergie utile représente le solde net des énergies utiles du cycle, c’est-à-dire la somme algébrique des énergies produites et consommées en son sein participant à l’effet énergétique utile
  • l’efficacité est le rapport entre l’énergie utile et l’énergie payante. Pour une installation frigorifique, on parle de COefficient of Performance ou COP car ce rapport est généralement supérieur à 1

Identification des types d’énergie des transfos du modèle

Le champ du type énergie apparaît sous le nom de la transfo.

Pour changer le type d’énergie, double-cliquez sur ce champ et choisissez parmi la liste des choix offerts.

Dans un cycle de réfrigération, l’énergie utile est l’énergie extraite de l’évaporateur, et l’énergie payante celle qui doit être fournie au compresseur.

Changement de paramétrage du modèle

L’un des grands intérêts des modèles informatisés est qu’il est très facile de les utiliser pour étudier l’influence d’un paramètre sur les performances globales du système.

Les deux étapes suivantes aborderont la question de la propagation du débit et des pressions.

Une fois la modification du paramètre effectuée dans le point ou la transfo, c’est en cliquant sur le bouton “Recalculer” du simulateur que l’ensemble du modèle est mis à jour.

Il faut souvent le faire plusieurs fois parce qu’à chaque recalcul, de nouvelles valeurs sont mises à jour. Le processus converge généralement rapidement, les éléments du bilan global se stabilisant.

Une fois le reparamétrage effectué, pour que les modifications apparaissent dans l'éditeur de schémas, masquez les valeurs, puis ré-affichez-les, en sélectionnant deux fois de suite la ligne de menu "Spécial/Afficher les valeurs", ou en tapant deux fois la touche F3.

Propagation du débit

Pouvoir contrôler le débit est très important en pratique. Dans Thermoptim, ce contrôle est effectué par les nœuds et par les connexions entre transfos. Comme il n’y a pas de nœud dans ce modèle, nous n’en parlerons pas ici.

Lorsque deux transfos sont directement connectées, Thermoptim propage automatiquement le débit de la transfo amont vers la transfo aval, sauf si cette dernière est dite à “débit imposé”.

Dans une telle transfo, le débit garde en effet la valeur saisie à l’écran, et ne peut donc pas être modifié.

Si donc vous voulez changer le débit de votre modèle, c’est dans la transfo-point associée au point d'entrée de la transfo échange qui vous intéresse que vous devez le faire, sinon votre modification ne sera pas prise en compte.

Application : modification du débit du fluide 2 représentant le chauffage des bâtiments

À titre d’exercice, modifiez le débit dans cette transfo, en entrant par exemple la valeur de 10 (kg/s) au lieu de 13,5.

Pour que cette valeur soit prise en compte par Thermoptim, vous devez alors cliquer sur le bouton “Calculer” de la transfo.

Pour que le modèle complet soit mis à jour, allez dans l’écran du simulateur et cliquez plusieurs fois sur le bouton “Recalculer”.

Allez alors dans l’éditeur de schémas et cliquez deux fois sur la touche F3 : le nouveau synoptique est alors affiché. Les puissances utile et payante ont doublé, mais l’efficacité (ici le COP) est bien sûr restée la même.

Propagation des pressions

Lorsque l’on veut modifier la valeur d'une pression, il est nécessaire de le faire dans chaque point, ce qui est un peu fastidieux.

Pour faciliter les choses, les transfos de type “échange” proposent une option, dite “isobare”, que vous avez peut-être remarquée.

Si elle est sélectionnée, la pression du point amont est automatiquement propagée vers le point aval.

Il en résulte que, lorsque plusieurs transfos “échange” de type “isobare” sont connectées entre elles et que vous désirez changer leur pression, il faut le faire dans le point amont de la transfo la plus amont faute de quoi votre modification restera sans effet.

Une transfo-point étant en fait une transfo "échange" dont le point amont est le même que le point aval, elle est nécessairement de type "isobare".

Dans ce modèle, pour que le changement de pression soit communiqué à l'ensemble des points du fluide, il suffit donc de le faire à partir de la transfo-point d'entrée.

Dans quelle transfo-point faut-il modifier la pression pour changer celle du fluide 2 ?

Fluide 2 Eau chauffage froide Eau chauffage chaude

Application : modification de la pression du fluide 2

À titre d’exercice, modifiez la pression dans cette transfo-point, en entrant par exemple la valeur de 2 (bar) au lieu de 1.

Pour que cette valeur soit prise en compte par Thermoptim, vous devez alors cliquer sur le bouton “Calculer” du point.

Pour que le modèle complet soit mis à jour, allez dans l’écran du simulateur et cliquez plusieurs fois sur le bouton “Recalculer”.

Allez alors dans l’éditeur de schémas et cliquez deux fois sur la touche F3 : le nouveau synoptique est alors affiché.