Semaine 4 : Exploration des modèles des cycles simples

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)).

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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

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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

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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

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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