Outils d’analyse et diagrammes

Cette page regroupe les utilitaires de la bibliothèque : ce ne sont pas des composants thermodynamiques (pas de bilan de matière/énergie interne) mais des outils de comparaison, de tracé et d’orchestration qui s’appuient sur les modules de cycle. Quatre familles sont documentées :

  • l”analyse de cycle de Carnot (COP, EER, rendement vs limites théoriques) ;

  • le diagramme température-entropie (T-S) d’un fluide pur ;

  • les diagrammes thermodynamiques des couples d’absorption (Merkel, Oldham) ;

  • l”assemblage et la résolution de flowsheet (moteur séquentiel-modulaire).

Analyse de cycle de Carnot

Module ThermodynamicCycles.Carnot_Cycle_Analysis. Il fournit trois classes qui positionnent les performances mesurées d’une machine réelle face aux limites théoriques (Carnot, et Curzon-Ahlborn pour les moteurs). Chaque classe accumule des points via add_machine(...), expose un DataFrame pandas (.df), un tableau texte (summary()) et un tracé (plot()).

COP_Analysis — Pompes à chaleur

Compare le COP chauffage mesuré à la limite de Carnot \(COP_{Carnot} = T_h / (T_h - T_c)\).

Élément

Description

Défaut / unité

COP_Analysis(delta_T_range, iso_ratios)

Constructeur. delta_T_range = plage de lift affichée, iso_ratios = ratios exergétiques COP/COP_Carnot tracés

(20, 100) K ; [0.40, 0.50, 0.60]

add_machine(name, Tc, Th, COP)

Ajoute un point. Tc/Th en °C (source froide / chaude), COP chauffage mesuré

°C, -

cop_carnot_curve(Tc_celsius, delta_T)

Méthode statique : courbe Carnot pour un Tc et un tableau de delta_T

summary()

Tableau texte (Tc, Th, dT, COP, COP_Carnot, ratio)

plot(figsize, savefig, title, show)

Trace COP vs ΔT (courbe Carnot, iso-ratios, points machines annotés)

figsize=(12, 7)

EER_Analysis — Machines frigorifiques

Compare l’EER (COP froid, \(Q_{froid}/W\)) à la limite de Carnot en mode froid \(EER_{Carnot} = T_c / (T_h - T_c)\).

  • EER_Analysis(delta_T_range=(10, 80), iso_ratios=[0.30, 0.40, 0.50, 0.60])

  • add_machine(name, Tc, Th, EER) — Tc = température d’évaporation (°C), Th = température de condensation (°C), EER mesuré.

  • eer_carnot_curve(Tc_celsius, delta_T) — méthode statique.

  • summary(), plot(...) — mêmes signatures que COP_Analysis.

Efficiency_Analysis — Moteurs thermiques

Compare le rendement mesuré à deux limites :

  • Carnot (réversible) : \(\eta_{Carnot} = 1 - T_c/T_h\) ;

  • Curzon-Ahlborn (endoréversible, puissance maximale) : \(\eta_{C\text{-}A} = 1 - \sqrt{T_c/T_h}\), borne plus réaliste.

  • Efficiency_Analysis(Th_range=(100, 800), iso_ratios=[0.30, 0.40, 0.50, 0.60]) — Th_range en °C.

  • add_machine(name, Tc, Th, eta) — eta = rendement thermique mesuré (0 à 1). Le point est enrichi de eta_carnot, eta_CA, ratio_carnot, ratio_CA.

  • eta_carnot_curve(Tc_celsius, Th_array) et eta_curzon_ahlborn_curve(Tc_celsius, Th_array) — méthodes statiques.

  • summary(), plot(...).

Exemple

from ThermodynamicCycles.Carnot_Cycle_Analysis import (
    COP_Analysis, EER_Analysis, Efficiency_Analysis,
)

# Pompe à chaleur
a = COP_Analysis()
a.add_machine("R290 plancher", Tc=0, Th=35, COP=4.8)
print(a.df)
print(a.summary())
a.plot(savefig="cop.pdf")     # met show=False pour un usage batch

# Machine frigorifique
e = EER_Analysis()
e.add_machine("Chiller R134a", Tc=-5, Th=35, EER=3.2)
e.plot(savefig="eer.pdf")

# Moteur thermique
m = Efficiency_Analysis()
m.add_machine("Turbine vapeur", Tc=30, Th=500, eta=0.38)
m.plot(savefig="eta.pdf")

L’argument savefig déduit le format du fichier de son extension (.pdf, .svg, .png…). plot() renvoie (fig, ax) matplotlib.

Diagramme température-entropie (T-S)

Module ThermodynamicCycles.Temperature_Entropy_Chart. La classe Object trace, pour un fluide pur (via CoolProp), le dôme de saturation (courbe liquide en bleu, vapeur en rouge), un réseau d”isobares en pointillés étiquetées en bar, et des points personnalisés éventuellement reliés par des flèches (pour visualiser un cycle).

Élément

Description

Défaut / unité

Object(fluid)

Instancie le diagramme. T_min (point triple), T_crit et T_max (= 2,5 × T_crit) sont déduits automatiquement du fluide

°C

set_temperature_range(T_min, T_max)

Surcharge la plage de température affichée

°C

set_entropy_range(S_min, S_max)

Fixe les bornes de l’axe d’entropie (xlim)

J/kg·K

add_points(points)

Ajoute une liste de points {'T': ..., 'S': ...} (T en °C, S en J/kg·K)

show(draw_arrows=False, figsize=(10, 6))

Construit et affiche le diagramme ; draw_arrows relie les points successifs par des flèches

Exemple

from ThermodynamicCycles.Temperature_Entropy_Chart import Object

chart = Object('R407C')
chart.add_points([
    {'S': 1000, 'T': 12},
    {'S': 666,  'T': 12},
    {'S': 2000, 'T': 15},
])
chart.show(draw_arrows=True)

Note

C’est cet utilitaire qu’utilisent en interne les modules de cycle (par exemple Chiller.plot(), cf. Chiller (Groupe froid / PAC)) pour tracer le diagramme T-S du cycle.

Diagrammes des couples d’absorption (Merkel, Oldham)

Module ThermodynamicCycles.Diagrams.MerkelDiagram. Il génère, pour les couples de machines à absorption, les diagrammes de référence : Merkel (enthalpie-concentration \(h\)–\(X\)) et Oldham (\(\log P\) vs température, iso-concentrations). Le rendu utilise le backend matplotlib Agg (sans affichage) et sauvegarde un fichier image.

Couples supportés :

  • 'LiBr' — LiBr-H₂O (absorbant non volatil, réfrigérant eau ; domaine liquide seul) ;

  • 'NH3H2O' — ammoniac-eau (deux constituants volatils ; lignes de saturation bulle/rosée en plus des isothermes).

Fonctions publiques

Fonction

Description

Retour

plot_merkel(pair, savepath, T_list_degC=None, **kwargs)

Diagramme de Merkel (h–X). T_list_degC = liste des isothermes ; défauts LiBr [20,40,...,160], NH3H2O [0,20,...,120]. Pour NH3H2O, P_list_bar=(2.0, 10.0) trace les saturations bulle/rosée

savepath

plot_oldham(pair, savepath, **kwargs)

Diagramme d’Oldham (log P vs T). LiBr : X_list_pct = iso-concentrations en % (défaut [40,45,50,55,60,65]). NH3H2O : w_list = fractions massiques, T_range

savepath

pair accepte les alias insensibles à la casse ('LiBr', 'LiBr-H2O', 'LiBrH2O' d’une part ; 'NH3H2O', 'NH3-H2O', 'AMMONIA' d’autre part). Un couple inconnu lève ValueError. La figure est sauvegardée en 110 dpi puis fermée.

Exemple

from ThermodynamicCycles.Diagrams import MerkelDiagram

# Diagramme de Merkel LiBr-H2O (isothermes de solution)
MerkelDiagram.plot_merkel(
    "LiBr", "merkel_libr.png",
    T_list_degC=[20, 40, 60, 80, 100, 120],
)

# Diagramme de Merkel NH3-H2O avec saturations à 2 et 10 bar
MerkelDiagram.plot_merkel(
    "NH3H2O", "merkel_nh3h2o.png",
    T_list_degC=[0, 40, 80, 120], P_list_bar=(2.0, 10.0),
)

# Diagramme d'Oldham LiBr-H2O (iso-concentrations)
MerkelDiagram.plot_oldham(
    "LiBr", "oldham_libr.png",
    X_list_pct=[40, 50, 60, 65],
)

Note

Le module s’appuie sur AbsorptionChiller.LiBrH2O (enthalpie ASHRAE, pression, température réfrigérant) et sur AmmoniaWater (équilibre liquide-vapeur, bulle/rosée) pour les propriétés des couples.

Assemblage de flowsheet

Module ThermodynamicCycles.Flowsheet. La classe FlowsheetSolver est un moteur d’orchestration séquentiel-modulaire : à partir d’un graphe de composants existants et de leurs connexions, il détecte automatiquement les boucles de recyclage, choisit un flux de coupure (« tear stream ») par boucle, calcule une séquence de résolution (tri topologique) et itère jusqu’à convergence avec accélération de Wegstein (repli substitution directe).

Le moteur est additif : il ne modifie aucun composant, réutilise Connect.Fluid_connect pour propager les flux et appelle les .calculate() existants.

API principale

Élément

Description

Défaut

FlowsheetSolver(tol, max_iter, acceleration, verbose)

Constructeur. tol = tolérance sur le résidu relatif d’enthalpie de coupure, acceleration = "wegstein" ou "direct"

tol=1e-6, max_iter=50, acceleration="wegstein", verbose=False

add_unit(name, obj)

Enregistre un composant (doté d’une méthode .calculate()) sous un nom

connect(src, src_port, dst, dst_port)

Déclare qu’un port de sortie alimente un port d’entrée aval (ex. "EVAP","Outlet","COMP","Inlet")

solve()

Résout le flowsheet et renvoie un rapport de convergence (dict)

Le dictionnaire renvoyé par solve() contient : converged (bool), iterations, residual, sequence (ordre de calcul), tears (liste des arêtes coupées) et history (résidu relatif max par itération). En cas de non-convergence, une clé message est ajoutée.

Exemple

from ThermodynamicCycles.Flowsheet import FlowsheetSolver

solver = FlowsheetSolver(tol=1e-6, max_iter=50, verbose=True)
solver.add_unit("EVAP", EVAP)
solver.add_unit("COMP", COMP)
solver.add_unit("COND", COND)
solver.add_unit("DET",  DET)

solver.connect("EVAP", "Outlet", "COMP", "Inlet")
solver.connect("COMP", "Outlet", "COND", "Inlet")
solver.connect("COND", "Outlet", "DET",  "Inlet")
solver.connect("DET",  "Outlet", "EVAP", "Inlet")   # recyclage

report = solver.solve()
print(report["converged"], report["iterations"], report["residual"])

Note

FlowsheetSolver dépend de networkx (construction du graphe, détection des cycles, tri topologique) et se place strictement au-dessus des composants et de Fluid_connect existants.