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Dimensionnement technologique et régime non nominal

Introduction

Lorsque l'on approfondit un peu les choses, on est amené à distinguer deux niveaux dans les modèles de systèmes énergétiques :

  • les modèles phénoménologiques qui donnent accès au calcul des cycles thermodynamiques, indépendamment du choix d'une technologie de composant particulière ;
  • les modèles de dimensionnement technologique et de simulation en régime non nominal qui fournissent non seulement les mêmes résultats que les précédents, mais, grâce à la prise en compte d'équations complémentaires spécifiques aux technologies choisies, permettent en plus de dimensionner précisément les divers composants puis, une fois ce travail réalisé, d'étudier le comportement du système considéré en dehors des conditions de fonctionnement pour lesquelles il a été dimensionné.

Cette seconde classe de modèles n'a été jusqu'ici que très peu étudiée, bien qu'elle soit la seule qui permette de vraiment répondre aux questions que se posent beaucoup de modélisateurs. Cette situation un peu paradoxale provient de ce que de tels modèles sont beaucoup plus difficiles à écrire et à résoudre que les calculs de cycles, ces derniers étant déjà souvent assez complexes. Faute de disposer d'outils appropriés, les modélisateurs ont jusqu'ici été contraints de limiter leurs ambitions en la matière.
Précisons bien que ce que nous appelons régime non-nominal correspond au fonctionnement stabilisé d'une installation pour des conditions opératoires différentes de celles pour lesquelles elle a été dimensionnée : il ne s'agit pas d'étudier le régime transitoire rapide résultant par exemple des actuateurs d'une régulation. C'est pourquoi on parle aussi quelquefois de régime permanent glissant.
Les fonctionnalités de Thermoptim lui permettent dorénavant d'effectuer aussi bien des études de cycles que d'aborder la simulation en régime non nominal de divers systèmes.

Principes de résolution pour le dimensionnement technologique et le non-nominal
Pour pouvoir effectuer des dimensionnements technologiques, de nouveaux écrans, complémentaires de ceux qui sont utilisés pour la modélisation phénoménologique, ont été introduits à partir de la version 1.7 de Thermoptim.
Ces écrans permettent de définir les caractéristiques géométriques représentatives des différentes technologies utilisées, ainsi que les paramètres nécessaires pour le calcul de leurs performances. Pour un composant donné, ils dépendent bien évidemment du type de technologie retenu.
Il s'agit par exemple pour un échangeur de configurations d'écoulement, de sections de passage dévolues au fluide, de diamètres hydrauliques, et, pour un compresseur à piston, de rendements volumétriques ou isentropiques.
Précisons que l'estimation de ces grandeurs n'est pas toujours facile, car les constructeurs de matériel ne les fournissent que rarement telles quelles. Il faut généralement les identifier à partir des fiches techniques, des abaques ou des logiciels mis à disposition de la clientèle.
Les modifications les plus importantes concernent les échangeurs de chaleur, les versions de Thermoptim antérieures à 1.7 ne déterminant que le produit UA du coefficient global d'échange thermique U par la surface A de l'échangeur, sans que les deux termes soient évalués séparément. Pour pouvoir dimensionner un échangeur, c'est-à-dire calculer sa surface, il faut d'une part, choisir sa configuration géométrique, d'autre part calculer U, qui dépend de cette configuration, des propriétés thermophysiques des fluides, et des conditions opératoires.
Les compresseurs et les turbines ont eux aussi été dotés d'écrans technologiques, qui permettent de définir les caractéristiques permettant de relier d'une part le débit et d'autre part le rendement isentropique au rapport de compression.

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