Contribution au développement des moteurs à apport de chaleur externe utilisés pour la conversion des rejets thermiques industriels en électricité. Modélisation et optimisation thermodynamique d’un nouveau convertisseur : Turbosol

par Mathilde Blaise

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Denis Maillet et de Michel Feidt.

Soutenue le 21-09-2016

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy) (laboratoire) et de Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique Appliquée / LEMTA (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-François Hetet.

Le jury était composé de Nicolas David.

Les rapporteurs étaient François Lanzetta, Céline Morin.


  • Résumé

    La valorisation des rejets thermiques industriels par leur conversion en énergie mécanique, et éventuellement en électricité, est un moyen de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de réduire la consommation énergétique des industries. La présente bourse de thèse est cofinancée par l’Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME) dans ce contexte. Le co-financeur de la thèse, Hevatech, est une entreprise qui exploite le brevet d’un nouveau convertisseur de chaleur en électricité appelé Turbosol®. Turbosol® est un bon candidat pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle. Le concept en est au stade du développement du prototype et de l’installation de pilotes sur site. L’originalité du cycle de Turbosol® est la détente quasi-isotherme de la vapeur d’eau. Ainsi, le cycle de Turbosol® est proche du cycle de Carnot. La première partie de la thèse porte sur le cycle de Carnot et la faisabilité d’une machine fonctionnant selon le cycle de Carnot. Une machine fonctionnant selon le cycle de Carnot avec de l’eau changeant de phase pendant le chauffage est modélisée, puis optimisée par maximisation de la puissance nette produite. Les variables de l’optimisation sont les températures de vaporisation et de condensation du fluide cyclé, ainsi que la répartition de la surface d’échange entre l’évaporateur et le condenseur. Puis, dans la seconde partie, le modèle de la machine de Carnot est adapté au cas particulier de Turbosol®. Cela permet de simuler le fonctionnement du prototype de Turbosol. L’étude de sensibilité aux variables de commande du modèle a permis d’identifier la température de vaporisation et le débit massique du fluide de travail comme des variables d’optimisation. Ainsi, le convertisseur est optimisé par maximisation de la puissance nette produite et par maximisation du rendement pour un rejet thermique à valoriser donné

  • Titre traduit

    Contribution to the development of the externally heated engines for the industrial waste heat conversion into electricity. Design and optimization of an innovative converter : Turbosol


  • Résumé

    To convert the industrial waste heat into mechanical, or electrical energy, is a way to decrease the greenhouse gases emission and the energy consumption. The present PhD thesis is co-financed by the french Environment and Energy Management Agency (ADEME), in this context. The other co-financer, the company Hevatech, exploits the patent of a new heat converter into electricity named Turbosol®. Turbosol® is a good candidate for the industrial waste heat recovery. The concept is currently developed by the study of a prototype and the installation of the prototype on industrial site. The Turbosol® cycle originality is the quasi-isothermal expansion of the water vapor. Consequently, the Turbosol® cycle is close to the Carnot cycle. In the manuscript first part, the possibility of the feasibility of an engine operating according to the Carnot cycle is studied. A Carnot engine with a changing phase working fluid is modeled and optimized by maximization of the net power output. The variables are the optimal vaporization and condensation temperatures, and the optimal allocation of a total thermal transfer area between the condenser and the evaporator. Then, in the second part, the model of the Carnot engine is adapted to the Turbosol® prototype. In the sensitivity analysis, the vaporization temperature and the mass flow rate of the working fluid are identified as optimization variables. So, the Turbosol® converter is optimized by maximization of the net power output and the first law efficiency for a given waste heat fluid to valorize


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