Contribution à l'optimisation thermodynamique et économique des machines à cycle inversé à deux et trois réservoirs de chaleur

par Lavinia Grosu

Thèse de doctorat en Sciences et techniques

Sous la direction de Michel Feidt.

Soutenue en 2000

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL .


  • Résumé

    Ce travail représente les résultats de l'auteur obtenues dans le cadre de l'étude doctorale concernant l'optimisation thermodynamique et économique des machines thermiques à cycle inverse à deux et trois réservoirs de chaleur. Dans la première partie du mémoire on présente des modèles thermodynamiques des machines à froid et pompes à chaleur à deux réservoirs (endoréversibles ou irréversibles), en utilisant la thermodynamique en temps fini. On maximise le coefficient de performance et implicitement le rendement exergétique, ce qui corresponde au minimum de création d'entropie interne et externe. L'existence d'un point optimum de fonctionnement est prouvée. L'optimisation est développée pour trois types de réfrigérants: R22, R134a et R7l7, afin d'analyser leur influence sur la performance de la machine et sur les pertes qui apparaissent durant le fonctionnement réel. L’étude du compresseur à piston selon la thermodynamique en temps fini a été nécessaire pour un calcul complet de conception et de fonctionnement des machines thermiques. L'application numérique pour l'ammoniac s'est avérée très intéressante puisque les résultats obtenues coïncident aux valeurs correspondantes à une consommation énergétique minimale obtenue lors d'une étude antérieure. Dans le chapitre 3, les machines à production de froid à compression mécanique de vapeur sont analysées du point de vue thermoéconomique. Un code de calcul est présenté en deux étapes: dans la première on établit la configuration technologique de la machine, partant d'un type de compresseur, on caractérise les points thermodynamiques du cycle de fonctionnement et on détermine le coût globale de la machine; dans la deuxième étape on utilise des corrélations technico-économiques pour l'estimation des coûts d'investissement des différents composants de la machine à froid Ainsi on présente une évaluation continue des coûts et non plus discrète comme dans la première étape de code de calcul. Une application numérique de l'optimisation thermoéconomique est présenté pour une machine à froid à compression mécanique de vapeur de petite taille, en utilisant la Méthode Généralisée du Gradient Réduit Afin d'améliorer le rendement exergétique de la machine, une autre méthode d'optimisation thermoéconomique est développée: la méthode de décomposition qui permet l'optimisation du système globale par une suite d'optimisations locales et qui utilise des corrélations exergoéconomiques pour l'estimation des différents coûts. Il faut souligner la difficulté de l'obtention et de couplage des documents technico-économiques et du développement des corrélations coût - paramètres techniques ou bien exergétiques. Dans la dernière partie de ce mémoire, l'auteur propose une présentation générale des machines trithermes : machines à froid, pompes à chaleur et thermotransformateurs, selon la thermodynamique en temps fini. Trois modélisations sont développées, selon trois adimensionnements possibles, rapportés au réservoir de haute température, de température intermédiaire ou de basse température. Une étude de sensibilité du coefficient de performance en fonction des variables adimensionnées est menée afm de savoir où et comment changer ces variables pour améliorer la performance de la machine. Chaque type de machine est analysé pour deux cas possibles: endoréversible (sans création d'entropie interne) et endo et exoirréversible (avec création d'entropie interne et externe). On développe ensuite des expressions analytiques des pincements optimums de température au niveau des réservoirs qui correspondent an maximum du coefficient de performance des machines à froid, pompes à chaleur et thermotransformateurs. On considère une contrainte conservatrice sur la conductance totale du système ce qui corresponde du point de vue qualitatif à la contrainte conservatrice sur la surface totale d'échange de chaleur ou sur le temps de contact au niveau des réservoirs. L'analyse thermoéconomique des machines trithermes est seulement commencée dans cette étude par l'analyse du cas plus simple des machines dithermes qui représentent des cas limites des modèles présentés. Ces considérations seront utilisées pour une optimisation thermoéconomique des machines trithermes, basée sur la minimisation des irréversibilités internes et externes étant donné que ces irréversibilités ont un impact direct sur le coût de fonctionnement.


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  • Détails : 1 vol. (221 p.)
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