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 d’installation de réfrigération simple.

Vous découvrirez l’agencement des écrans des points et des transfos, la manière dont ils peuvent être reparamétrés et calculés, les notions d’énergies utiles et payantes permettant de dresser les bilans énergétiques globaux et de déterminer le Coefficient de Performance COP.

Vous visualiserez le cycle dans le diagramme thermodynamique (h, ln(P)).

Brève présentation du modèle de réfrigérateur

Dans une installation de réfrigération par compression de vapeur, on cherche à maintenir une enceinte froide à une température inférieure à l’ambiante.

Le principe consiste à évaporer un fluide frigorigène à basse pression (et donc basse température), dans un échangeur en contact avec l’enceinte froide. Pour cela, il faut que la température d’évaporation du fluide frigorigène soit inférieure à celle de l’enceinte froide.

Le fluide est ensuite comprimé à une pression telle que sa température de condensation soit supérieure à la température ambiante.

Il est alors possible de refroidir le fluide par échange thermique avec l’air ambiant, jusqu’à ce qu’il devienne liquide. Le liquide est ensuite détendu sans travail (on parle de laminage isenthalpique) jusqu’à la basse pression, et dirigé dans l’évaporateur. Le cycle est ainsi refermé.

Cette figure illustre les transferts enthalpiques qui prennent place dans l’installation. Les petites flèches dirigées vers le bas représentent les échanges thermiques, qui, comme on le voit, respectent bien le second principe de la thermodynamique : la chaleur s’écoule des zones chaudes vers les zones plus froides. La longue flèche ascendante représente l’apport enthalpique au compresseur, qui permet de relever le niveau de température du fluide (attention : les quantités de chaleur ne sont pas proportionnelles à la longueur des flèches).

Paramétrage retenu

Le cycle de réfrigération par compression de R134a fonctionne entre une pression d’évaporation de 1,78 bar et une pression de condenseur de 12 bar.

En sortie d’évaporateur, un débit $m=1g/s$ de fluide est entièrement vaporisé, avec une surchauffe de 5 °C.

Il est ensuite comprimé jusqu’à 12 bar en suivant une compression adiabatique irréversible. La compression réelle est caractérisée par un rendement isentropique, défini comme le rapport du travail de la compression réversible au travail réel. Sa valeur est supposée égale à 0,85

Le refroidissement du fluide dans le condenseur par échange avec l’air extérieur comporte deux étapes : une désurchauffe dans la zone vapeur suivie d’une condensation.

Il est ensuite détendu sans travail dans un capillaire, jusqu’à la pression de 1,78 bar.

Principaux environnements de Thermoptim

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

• celle que vous lisez actuellement et qui contient le fichier html de l’exploration à réaliser
• celle de l’éditeur de schémas de Thermoptim
• celle du simulateur de Thermoptim

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 d’un modèle

Charger le modèle

Cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Affichez la fenêtre de l’éditeur de schémas

Vous y voyez le schéma du cycle, qui est quasiment le même que celui qui a été présenté ci-dessus, si ce n’est que le condenseur est représenté par deux composants au lieu d’un.

Il a été modélisé de cette manière pour bien faire apparaître les deux évolutions thermodynamiques qui y prennent place : désurchauffe du fluide de 70 °C jusqu’à la température de condensation à 12 bar (46,3 °C), puis condensation à température constante.

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

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 correspondant (nom du corps, température, pression, enthalpie) et celle du débit mis en jeu (ici $1g/s$).

Dans le cartouche sont indiqués les éléments du bilan : puissance utile, puissance payante et efficacité.

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

Affichez la fenêtre du simulateur

Les différents éléments qui composent le modèle apparaissent dans les tables : 5 points et 5 transfos, avec leurs principales caractéristiques.

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

Deux boutons importants pour la suite apparaissent dans la partie centrale :

• le bouton Bilan permet de calculer ou mettre à jour le bilan du cycle
• le bouton Recalculer permet de recalculer tous les éléments du simulateur lorsque l’un d’entre eux a été changé.

Nous reviendrons plus loin sur leur utilisation.

Découverte des transfos

Écran d’une transfo

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

• la zone bleue, dans la partie supérieure gauche, rappelle l’état du point amont.
• la zone rouge, dans la partie inférieure gauche, rappelle l’état du point aval.
• la zone verte, dans la partie supérieure droite, définit le type de système et la valeur du débit. Elle comporte le bouton de calcul qui détermine la puissance mise en jeu $m\Delta h$.
• la zone noire, dans la partie inférieure droite, comporte les paramètres spécifiques de la transfo. Les champs affichés en rouge correspondent à des résultats de calcul.
• le document suivant vous fournit davantage d’informations sur ces écrans.

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 “compresseur”

Comment ouvrir l’écran d’une transfo ?

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

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

Découverte des points

Écran d’un point

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

• la zone rouge, dans la partie supérieure, où est défini le nom du point et le corps qui lui est associé (ici de l’eau).
• la zone bleue, juste en dessous, comporte les trois onglets qui permettent de sélectionner le mode de calcul (ici systèmes ouverts).
• la zone verte, dans la partie inférieure, où se trouve le bouton de calcul de l’état du point.

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 ?

À titre d’exercice, allez dans l’éditeur de schémas et double-cliquez sur le lien entre les transfos "effet frigorifique" et “compresseur”.

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

Le paramétrage de ce point présente une particularité, au niveau de la partie inférieure indiquée en vert dans l’image ci-dessus : l’option “imposer la température de saturation” a été cochée, et une valeur égale à 5 a été entrée dans le champ “écart Tsat”.

Ce paramétrage permet d’indiquer à Thermoptim que la température du point correspond à une surchauffe de 5 °C par rapport à la température de changement d’état à la pression choisie.

Si cette pression est ultérieurement modifiée, la température du point sera automatiquement recalculée, en conservant cette surchauffe.

Les corps dans Thermoptim

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 le R134a, 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 :

• les gaz protégés dont la composition ne peut pas être modifiée par un utilisateur
• les autres, appelés non protégés.

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

Diagramme (h, ln(P)) dit des frigoristes

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 C, 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 principales courbes du diagramme.

Première étape : chargement du diagramme (h, ln(P)) dit des frigoristes du R134a

Cliquez sur ce bouton

Modification éventuelle du paramétrage des axes d’un diagramme

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

Si vous cliquez sur la case “Graduations”, des traits verticaux pour l’axe des abscisses et horizontaux pour celui des ordonnées sont tracés à l’écran, au niveau du pas principal de l’axe.

Si vous cliquez sur la case “Echelle automatique”, Thermoptim cherchera une échelle couvrant l’ensemble des données relatives au corps sélectionné.

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

Si la case “Echelle automatique” n’est pas cochée, vous pouvez entrer les valeurs minimales et maximales que vous désirez. Les valeurs du pas principal et du pas secondaire peuvent être soit calculées automatiquement, soit entrées par vous, selon que la case “Auto” correspondante est cochée ou non.

Attention : si la case “Echelle automatique” est cochée, vos valeurs seront remplacées par celles que Thermoptim déterminera automatiquement.

Après avoir effectué vos modifications, cliquez sur “OK” pour enregistrer vos choix, et sur “Annuler” pour revenir aux valeurs précédentes.

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

Vous noterez qu'un point supplémentaire appelé 1s a été rajouté pour représenter l'état du fluide sur la courbe de saturation en sortie d'évaporateur, avant surchauffe. Dans le diagramme entropique (T,s), l'étape de vaporisation à la pression de 1,78 bar apparaît ainsi bien isotherme.

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Repérage de quelques points caractéristiques dans le diagramme

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

Pour afficher ce type de diagramme, cliquez sur ce bouton

Si l’échelle des abscisses ou celle des ordonnées ne vous convient pas, changez-la grâce aux menus “Graphe/Axe” et “Graphe/Axe Y”.

Performances globales du cycle, détermination du rendement

Types d’énergie des transfos

Bilan global

Nous avons vu précédemment 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 des énergies, mais le raisonnement est bien sûr aussi valable pour les puissances.

Identifier les types d’énergie des transfos du modèle

Application : ouvrez les différentes transfos du cycle et trouvez leurs types d’énergie.

Utilisation du catalogue d'exemples

Pour simplifier leur utilisation, l'ensemble des fichiers de schéma et de projet des explorations dirigées de Thermoptim a été regroupé dans un « Catalogue d'exemples » spécifique, auquel on accède à partir du menu « Fichiers de projet » du simulateur, ou bien en tapant Ctrl E.

La liste des projets disponibles apparaît alors, chacun avec un titre et un petit commentaire permettant de les distinguer les uns des autres.

Un double-clic sur l'un d'entre eux ouvre les fichiers de projet et de schéma.

Cette manière de faire vous permet d'éviter d'avoir à rechercher les fichiers de projet et de schéma dans les répertoires proj et schema du répertoire d'installation du progiciel.

Changement de paramétrage du modèle

Propagation du débit

Application : modification du débit du modèle

À titre d’exercice, modifiez le débit dans cette transfo, en entrant par exemple la valeur de 2 (g/s) au lieu de 1.

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 sur le bouton “Recalculer” jusqu’à ce que le bilan se stabilise.

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

Application : modification de la haute pression du modèle

À titre d’exercice, modifiez la haute pression dans ce point, en entrant par exemple la valeur de 9 (bar) au lieu de 12.

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 sur le bouton “Recalculer” jusqu’à ce que le bilan se stabilise.

Allez alors dans l’éditeur de schémas et cliquez deux fois sur la touche F3 : le nouveau synoptique est alors affiché. Le COP s’est amélioré puisque la température de condensation a baissé.