Pompe (Pump)

Le module ThermodynamicCycles.Pump modélise une pompe de circulation de liquide. Selon les paramètres fournis, il fonctionne dans deux modes distincts (chemin additif, sans redondance) :

  • un mode débit imposé / thermodynamique (compression liquide isentropique avec rendement), adapté aux cycles de puissance (Rankine, ORC) et aux essais à débit constant ;

  • un mode courbe caractéristique, où le point de fonctionnement est déterminé par régression polynomiale (scikit-learn) sur la courbe HMT / rendement de la pompe et son intersection avec la caractéristique du réseau.

Dans les deux cas la pompe est traitée comme isotherme côté fluide : une pompe liquide n’échauffe/ne refroidit pas de façon significative, la température d’aspiration est conservée et l’enthalpie de refoulement est recalculée à la pression de refoulement (voir plus bas).

La classe s’instancie via ThermodynamicCycles.Pump.Pump.Object().

Connecteurs

Port

Type

Rôle

Inlet

FluidPort

aspiration (fluide, pression \(P\), enthalpie \(h\), débit \(F\) en kg/s)

Outlet

FluidPort

refoulement ; porte un callback on_pressure_change déclenché quand le réseau aval impose Outlet.P

Mode 1 — Débit imposé / thermodynamique (isentropique + rendement)

Ce mode est actif dès que IsenEff est défini (cycle de puissance) ou que F_impose (kg/s) est fourni (essai à débit constant). Il court-circuite la courbe caractéristique : le débit est imposé, et la température de refoulement est un résultat de la compression liquide isentropique.

Le rendement isentropique retenu est \(\eta = \text{IsenEff}\) (ou 0.7 par défaut si seul F_impose est fourni). Avec \(HP\) la pression de refoulement (Pdischarge ou, à défaut, Inlet.P) :

\[\begin{split}s_1 &= s(P_{in},\, h_{in}) \\ h_{o,is} &= h(HP,\, s_1) \\ h_{o} &= h_{in} + \frac{h_{o,is} - h_{in}}{\eta} \\ T_{o} &= T(HP,\, h_{o}) \\ \dot W_{pump} &= F \,\bigl(h_{o} - h_{in}\bigr)\end{split}\]

Le refoulement est écrit sur Outlet (Outlet.h = Ho, Outlet.P = HP, Outlet.F = Inlet.F), le callback étant neutralisé pendant l’écriture de la pression. En prime, une courbe de pompe idéale passant par le point de fonctionnement \((Q^\*, HMT^\*)\) est proposée (centrifuge parabolique \(HMT(Q) = H_0 - k\,Q^2\) avec \(H_0 = 1{,}25\,HMT^\*\), rendement maximal au BEP), puis ajustée par régression : le même modèle sert ainsi au dimensionnement et à la simulation.

Mode 2 — Courbe caractéristique (régression polynomiale)

En l’absence de IsenEff et de F_impose, la pompe utilise sa courbe caractéristique. Les points de construction sont fournis via X_F (débit volumique, m³/h), Y_hmt (hauteur manométrique, m) et Y_eta (rendement). Valeurs par défaut si non renseignés :

X_F   = [7, 50, 100, 150]     # m³/h
Y_hmt = [12, 60, 80, 68]      # m
Y_eta = [0.5, 0.7, 0.5, 0.4]  # -

Une régression polynomiale LinearRegression sur PolynomialFeatures de degré \(n = \text{len}(X\_F) - 1\) (interpolation exacte des points) ajuste séparément HMT(Q) et η(Q). La qualité d’ajustement HMT est reportée (rmse_hmt, r2_hmt).

Selon les données fournies, le point de fonctionnement est déterminé ainsi :

  • ``Pdischarge`` donnée → calculate_flow_rate() : la HMT cible est déduite du réseau (\(HMT = \Delta P / (\rho g)\)), puis le débit correspondant est trouvé sur la courbe HMT(Q) par minimisation L-BFGS-B de \(|HMT_{pred}(Q) - HMT|\) ;

  • ``F_m3h`` donné, sans ``Pdischarge`` → calculate_hmt() : la HMT est prédite par la corrélation au débit donné, puis \(\Delta P = \rho g\,HMT\).

Le rendement au point de fonctionnement provient de calculate_eta() (prédiction η(Q)). La puissance absorbée vaut :

\[\Delta P = \rho\, g\, HMT \qquad Q_{pump} = \frac{\dot V \,\Delta P}{\eta}\]

avec \(\dot V\) = F_m3s (débit volumique, m³/s) et \(\rho\) la masse volumique du fluide à l’aspiration (ThermoPropsSI("D", ...)), \(g = 9{,}81\) m/s².

Équations clés

Grandeur

Relation

HMT ↔ pression

\(\Delta P = \rho\, g\, HMT\) ; réciproquement \(HMT = \Delta P/(\rho g)\)

Rendement (mode courbe)

\(\eta = \eta_{model}(Q)\) (corrélation polynomiale)

Puissance (mode courbe)

\(Q_{pump} = \dot V \,\Delta P / \eta\)

Compression isentropique (mode thermo)

\(h_o = h_{in} + (h_{o,is}-h_{in})/\eta\)

Puissance (mode thermo)

\(\dot W_{pump} = F\,(h_o - h_{in})\)

Comportement réseau (couplage courbe ∩ réseau)

Le Outlet porte un callback on_pressure_change : lorsque le réseau aval impose une nouvelle pression Outlet.P, la pompe recalcule automatiquement son point de fonctionnement via calculate_from_network_pressure() :

  1. \(\Delta P_{réseau} = Outlet.P - Inlet.P\) puis \(HMT = \Delta P_{réseau}/(\rho g)\) ;

  2. le débit correspondant est cherché sur la courbe HMT(Q) par minimisation L-BFGS-B — c’est l”intersection courbe pompe ∩ courbe réseau ;

  3. la masse est propagée : Inlet.F = F_m3s·ρ, Outlet.F = Inlet.F (et le callback amont Inlet.callback est appelé si présent) ;

  4. isotherme : la température d’aspiration est conservée, l’enthalpie de refoulement est recalculée à la pression réseau Outlet.h = ThermoPropsSI('H','P',Outlet.P,'T',Ti_degC+273.15,fluid) ;

  5. le rendement est réévalué par calculate_eta().

Des garde-fous (attributs _calculating / _calculating_inverse) évitent les boucles infinies pendant les phases de calcul.

Paramètres configurables

Paramètre

Défaut

Description

IsenEff

None

rendement isentropique ; active le mode thermodynamique (1 = pompe idéale)

F_impose

None

débit massique imposé (kg/s) ; active le mode débit imposé

Pdischarge_bar

None

pression de refoulement (bar) ; convertie en Pdischarge (Pa)

Pdischarge

None

pression de refoulement (Pa)

eta

None

rendement (renseigné/prédit selon le mode)

X_F

[7,50,100,150]

points de débit volumique de la courbe (m³/h)

Y_hmt

[12,60,80,68]

points de hauteur manométrique (m)

Y_eta

[0.5,0.7,0.5,0.4]

points de rendement (-)

Timestamp

None

horodatage propagé dans le DataFrame résultat

Sorties principales

  • df : DataFrame de synthèse. En mode courbe : pump_F_kgs, pump_F_m3h, hmt(m), delta_p (Pa), Qpump(KW), self.eta. En mode thermodynamique : P_aspiration_bar, P_refoulement_bar, T_refoulement_degC, eta_is, W_pump_kW.

  • F_m3h / F_m3s : débit volumique au point de fonctionnement.

  • hmt / delta_p : hauteur manométrique (m) et différence de pression (Pa).

  • eta, Q_pump (mode courbe) ; W_pump, To, Ho, Ho_is (mode thermodynamique).

  • rmse_hmt / r2_hmt : indicateurs d’ajustement de la corrélation HMT.

Exemple (Source → Pompe, courbe caractéristique)

from ThermodynamicCycles.Source import Source
from ThermodynamicCycles.Pump import Pump
from ThermodynamicCycles.Connect import Fluid_connect

# Source d'eau : 20 °C, 1 bar, 5 kg/s
source = Source.Object()
source.fluid = "water"
source.Ti_degC = 20
source.Pi_bar = 1.0
source.F = 5.0
source.calculate()

# Pompe alimentée par la source
pump = Pump.Object()
Fluid_connect(pump.Inlet, source.Outlet)   # copie fluide, P, h, F

# Point de fonctionnement fixé par la pression de refoulement (mode courbe)
pump.Pdischarge_bar = 4.0
pump.calculate()

print(pump.df)               # F_m3h, hmt, delta_p, Qpump, eta
pump.plot_pump_curve()       # courbe HMT/ΔP + rendement, point de fonctionnement

Pour un cycle de puissance (mode thermodynamique), fixer plutôt pump.IsenEff = 0.75 (et éventuellement pump.F_impose pour un débit imposé) avant pump.calculate() : la température de refoulement To et la puissance W_pump deviennent les résultats de la compression liquide isentropique.

Méthodes

  • calculate() — Calcule le point de fonctionnement (aiguille automatiquement vers le bon mode)

  • calculate_hmt() — HMT prédite par la corrélation au débit F_m3h

  • calculate_flow_rate() — Débit sur la courbe pour un Pdischarge imposé

  • calculate_eta() — Rendement prédit par la corrélation au débit F_m3h

  • calculate_from_network_pressure() — Recalcul du point sur pression réseau imposée (callback)

  • plot_pump_curve(figsize=(14, 10)) — Tracé de la courbe caractéristique (HMT/ΔP et rendement) avec point de fonctionnement