L’unité FELVAL a été créée pour combler un vide dans la vaste panoplie des unités de simulation d’échangeur de chaleur disponibles.
Comme expliqué précédemment, une chaudière à circulation forcée diffère d’une chaudière à circulation naturelle ou assistée de par le nombre d’éléments qui la compose. En effet, une chaudière à circulation naturelle ou assistée avec un seul niveau de pression contient un économiseur, un vaporiseur avec ballon de séparation et un surchauffeur. Dans une chaudière à circulation forcée, on ne peut plus faire la différence entre l’économiseur et le vaporiseur, et s’il subsiste un ballon de séparation, non seulement sa taille est fortement réduite, mais en plus, son utilité est principalement limitée à la phase de démarrage de la chaudière.
Cette précision doit être apportée afin de comprendre pourquoi il a été nécessaire de programmer un nouveau modèle dans VALI. Dans les chaudières traditionnelles, puisque tous les éléments sont bien séparés, il suffit à l’utilisateur de spécifier à quel endroit de la chaudière il se trouve et les équations correspondant au type d’élément choisi sont utilisées par VALI pour la simulation de cette partie de la chaudière. Cette distinction n’est plus possible dans une chaudière à circulation forcée. Non seulement l’utilisateur ne sait pas s’il se trouve dans un élément d’économiseur, de vaporiseur ou de surchauffeur mais en plus, une modification des conditions opératoires va modifier la fonction de ces différents éléments au cours du temps. Il faut donc disposer d’un modèle qui puisse s’adapter quel que soit le type d’élément rencontré. Ce modèle porte le nom de FELVAL.
L’introduction d’une unité FELVAL a également mis en évidence l’importance de disposer d’un modèle thermodynamique parfaitement continu pour l’eau, principalement dans les zones de vaporisation à haute pression (>100 bar). Ce problème n’apparaissait pas dans les chaudières traditionnelles pour plusieurs raisons :
¾ La vaporisation dans les tubes du vaporiseur n’atteint pas 100% (zone critique) ; ¾ La pression n’est pas aussi élevée.
Figure IV-1 : Différence entre VDI et IAPWS pour le calcul du cp massique
0 20 40 60 80 100 120 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 cp m assiqu e kJ/kg /K Cp Mass VDI Cp Mass IAPWS
La formulation choisie porte le nom d’IAPWS (« International Association for the Properties of Water and Steam »).
Elle consiste en un jeu d’équations valides dans les zones :
27315 107315 100 107315 227315 10 . . . . K T K p MPa K T K p MPa < < < < < <
Une comparaison des valeurs de quelques propriétés de l’eau estimées à l’aide des modèles VDI et IAPWS montre que les différences principales apparaissent pour l’estimation De la chaleur spécifique à pression constante ; cette propriété est utilisée notamment pour l’estimation du coefficient de transfert. Cette différence est mise en évidence au voisinage du point de vaporisation (Figure IV-1) en zone subcritique et à température constante (374°C) en zone supercritique.
Le modèle FELVAL représente une nappe ou une partie de nappe de tubes dans la chaudière. Pour reconstituer la chaudière, il faut donc assembler un certain nombre de ces nappes, soit bout à bout pour représenter la longueur totale de la nappe (maximum 26 subdivision suivant la longueur du tube), soit couche par couche pour représenter les différents échangeurs de la chaudière.
Figure IV-2 : 1 FELVAL = 1 nappe
Figure IV-3 : 1 FELVAL = 1 cellule
A chaque FELVAL sont associées des équations : ¾ de bilan de matière ;
¾ de bilan thermique ;
¾ de performance du tube (ou de la portion de tube) considéré ; ¾ de bilan de quantité de mouvement ;
¾ de perte de charge.
Ce sont les équations de performance et de perte de charge qui vont permettre de calculer le comportement de la chaudière dans certaines conditions opératoires, on peut les appeler des équations de simulation. Les autres équations permettront d’assurer la cohérence du modèle.
Une unité permettant la création automatique des FELVAL ainsi que de leurs connexions a été développée. Cette unité porte le nom de SUFVAL. Comme nous le verrons dans un prochain chapitre, cette unité permet également de réaliser le dimensionnement d’échangeurs de chaleur isolés ou d’une chaudière à circulation forcée à un niveau de pression.
SUFVAL demande à l’utilisateur les caractéristiques des FELVAL à créer (longueur et diamètre des tubes, type et densité des ailettes, nombre de tubes en parallèle, matériau à utiliser, nombre d’éléments dans une nappe, nombre de nappes,…). Il faut remarquer que tous les FELVAL créés seront identiques, ce qui est cohérent puisqu’ils feront partie du même échangeur de chaleur. L’utilisateur pourra cependant accéder à l’interface graphique pour effectuer des changements si cela s’avère nécessaire ultérieurement.
Pour créer une chaudière complète, plusieurs unités SUFVAL devront donc être utilisées. L’utilisateur doit donc définir à l’avance en combien de cellules il souhaite décomposer chaque nappe de tubes. Tous ces paramètres sont contenus dans une unité SUFVAL qui crée automatiquement les unités de type FELVAL ainsi que les liaisons entre ces unités. Le nom des unités FELVAL ainsi créées de même que le nom des connexions entre ces unités sont fixés par le programme. Une unité SUFVAL est identifiée par un nom de 4 caractères. L’unité FELVAL portera un nom à 7 lettres et/ou chiffres composé du nom de l’unité SUFVAL dont elle est issue suivi de 2 chiffres représentant le numéro de la rangée où elle se trouve (01 à 99 en comptant à partir de l’entrée de la fumée) et d’une lettre (de A à Z) représentant le numéro de la cellule.
Figure IV-4 : Structure du nom d'une unité FELVAL créée automatiquement par une unité SUFVAL