Progiciels de thermodynamique

Cet article fait suite aux articles Diagrammes thermodynamiques- Généralités à Diagrammes thermodynamiques- Mélanges humides et combustion dans lesquels ont été présentés les diagrammes relatifs aux corps purs et aux mélanges. Il traite des progiciels utilisés en thermodynamique.

Les diagrammes présentent le très grand intérêt de fournir une représentation visuelle des propriétés d’un fluide dans son domaine d’utilisation, et se prêtent très bien aux analyses qualitatives des évolutions que peut subir ce fluide dans les opérations industrielles, mais leur précision de lecture est relativement mauvaise et leur utilité faible pour le dimensionnement où souvent on a besoin d’une représentation continue (calculs de distillation...).

Pour des analyses quantitatives, on préfère aujourd’hui compléter les diagrammes par l’utilisation de progiciels (contraction des deux termes « produit logiciel » caractérisant un logiciel standard développé pour répondre à un cahier des charges générique non spécifique à un seul utilisateur). Les progiciels de thermodynamique sont des outils informatiques qui permettent de calculer l’état thermodynamique d’un fluide dans un large intervalle de ses variables d’état. Pour cela, ils ont recours à des formulations mathématiques de leurs propriétés, basées sur des équations dont la forme et les paramètres ont été ajustés ou sont ajustables par comparaison avec des valeurs expérimentales relevées par les laboratoires de recherche et publiées dans la littérature ou dans des bases de données. Les principales équations d’état sont ajustées par des techniques numériques, et les équations différentielles de la thermodynamique permettent d’en déduire les fonctions dérivées.

Lorsqu’une même formulation ne permet pas d’obtenir une précision suffisante dans tout le domaine d’utilisation du fluide, celui-ci est subdivisé en plusieurs régions, chacune décrite par une formulation appropriée (zones liquide, d’équilibre liquide-vapeur, vapeur...). Aux frontières de ces régions, de petits écarts de valeur peuvent exister. Un exemple, concernant l’eau, est donné plus loin dans cet article.

Étant donné que les variables d’entrée intéressant un utilisateur donné ne sont pas nécessairement celles qui apparaissent dans les formulations mathématiques retenues, il est souvent nécessaire d’effectuer des changements de variables, en inversant de manière plus ou moins complexe les équations d’état du progiciel. Dans certains cas, des difficultés de convergence peuvent apparaître.

Les outils logiciels disponibles en thermodynamique relèvent de trois grandes catégories :

• Les calculateurs de propriétés des fluides, quelquefois appelés serveurs de propriétés, se distinguent par le nombre de fluides proposés, la précision des calculs, les variables indépendantes acceptées, la convivialité de leur interface...

• Les outils de calcul de composants permettent de dimensionner les opérations unitaires subies par les fluides (compressions, détentes, combustions...). Non seulement ils incorporent des calculateurs de propriétés des fluides, mais ils peuvent, grâce à la prise en compte des caractéristiques d’un composant industriel (rendement isentropique ou polytropique d’un compresseur...), déterminer l’état final du fluide qui le traverse.

• La troisième catégorie d’outils correspond aux environnements génériques de modélisation, qui permettent d’assembler des modèles de composants pour former des systèmes complexes, ou encore de résoudre des systèmes d’équations de grande dimension.

Dans le cadre de cet article, la plupart des progiciels de thermodynamique que nous présenterons relèveront essentiellement de la première catégorie.

Compte tenu de l’augmentation très rapide de la puissance des micro-ordinateurs au cours des dernières années, la plupart des progiciels existants peuvent aujourd’hui être exécutés sur ce type de machines. Il en résulte une diffusion de plus en plus large de ces outils, dont la disponibilité ne cesse d’augmenter, notamment sur Internet. Il est impossible de les présenter de manière exhaustive, à la fois compte tenu du nombre de progiciels existant à un moment donné, et du fait de l’apparition continue de nouveaux outils.

Selon les cas, les progiciels disponibles sont de portée générale ou sont dédiés à une application donnée. Les premiers sont généralement plus puissants, mais ils demandent de la part de l’utilisateur des compétences en thermodynamique plus développées que les seconds, destinés à répondre à un besoin précis.

Nous avons sélectionné pour cet article une vingtaine d’outils qui nous ont paru particulièrement intéressants pour les lecteurs des Techniques de l’Ingénieur, les principaux critères étant leur potentiel (précision, capacité de résolution) et leurs conditions d’accès, notamment à travers Internet, les progiciels gratuits étant bien évidemment particulièrement attractifs. Tous les progiciels indiqués sont disponibles sous Windows et dans quelques cas sous MacOs ou sous Unix. Les lecteurs des Techniques de l’Ingénieur étant principalement francophones, nous avons choisi de préférence des progiciels en langue française chaque fois que cela a été possible.

Les descriptions des progiciels présentés sont généralement basées sur leur documentation. Faute de place, elles sont ici très sommaires et il n’a été possible d’illustrer l’utilisation des outils que par un petit nombre de figures, souvent une seule. Comme ils peuvent capitaliser sous une forme directement utilisable un savoir scientifique et pratique considérable, nous recommandons aux lecteurs intéressés de se référer aux sites Internet cités, où ils découvriront leur véritable richesse (un récapitulatif est donné en ).

Il est par ailleurs difficile de trouver une typologie des progiciels qui soit tout à fait satisfaisante, tellement les outils diffèrent les uns des autres. Le classement par application, qui serait sans doute le plus pratique pour l’utilisateur, se révèle par exemple inadapté pour les progiciels polyvalents.

Dans cet article, nous nous intéresserons à trois grandes catégories de progiciels, les deux premières traitant de milieux non réactifs, et la troisième pouvant calculer des réactions chimiques :

• les outils génériques pour le calcul des équilibres de phase des corps purs et des mélanges ;

• les outils à équations d’état présélectionnées dédiés à certaines classes d’applications ;

• les progiciels de combustion.

Cette typologie diffère légèrement de celle qui a été adoptée dans les articles précédents sur les diagrammes thermodynamiques, qui était rappelons-le la suivante :

• fluides purs, mélanges azéotropes, gaz idéaux ;

• mélanges de fluides non azéotropes ;

• mélanges humides ;

• combustion.

Cette différence de présentation s’explique par les raisons suivantes : la communauté scientifique qui développe les progiciels génériques de calcul des propriétés des mélanges est celle des thermodynamiciens travaillant dans le domaine du génie des procédés. L’industrie chimique ou pétrolière leur demande de mettre au point des outils capables de prédire aussi bien que possible les propriétés de mélanges mettant en jeu de nombreux fluides, avec des compositions très variables selon les cas. L’expérience prouve que les modèles de fluides et les lois de mélange les plus appropriés diffèrent en fonction des applications, ce qui signifie qu’il faut que l’utilisateur du progiciel puisse faire son choix parmi un ensemble d’équations d’état et de règles de mélange, en se basant sur son expertise.

Le problème que rencontre un énergéticien désirant calculer les performances d’une centrale à vapeur ou d’un cycle de réfrigération est tout autre : le fluide qu’il utilise est un fluide standard, de composition fixée, souvent pur. Il faut que les équations d’état qui sont incorporées dans le progiciel aient été dûment validées pour qu’il puisse avoir confiance dans les résultats qu’il obtient, mais il n’a aucun besoin de les connaître : son expertise ne porte pas sur les propriétés des fluides mais sur la manière dont ils sont mis en œuvre dans les machines thermiques.

La distinction entre les progiciels adaptés à ces deux familles d’utilisateurs ne porte donc pas principalement sur les types de fluides qu’ils peuvent calculer, mais plutôt sur la possibilité pour l’usager d’intervenir dans le choix des modèles de fluides employés.

Avertissement : il importe de noter que les progiciels présentés ou cités dans cet article n’ont pas tous été testés par l’auteur ni par l’éditeur et que leur sélection n’implique en aucun cas qu’ils répondront aux attentes de leurs utilisateurs. C’est à eux seuls qu’incombe la responsabilité du choix d’un progiciel : les informations fournies dans cet article sont partielles et purement indicatives. Elles ne peuvent être considérées comme suffisantes pour fonder le choix d’un outil quelconque pour une application donnée. Il est par ailleurs fréquent que les versions des progiciels mis en ligne évoluent, et même que certains disparaissent. Ceux qui sont indiqués ici étaient téléchargeables en octobre-novembre 2003.