Intégration des cycles de Rankine organiques dans la valorisation de la chaleur fatale industrielle à basses et moyennes températures

par Mohamed Fadhel Ayachi

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Energétique et génie des procédés

Sous la direction de Pierre Neveu et de Assaad Zoughaib.

Soutenue en 2013

à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) .

Le jury était composé de Michel Feidt, Vincent Lemort.

Les rapporteurs étaient Georges Descombes, Yao Kétowoglo Azoumah.

mots clés

• Optimisation technico-économique
• Orc
• Détendeur à spirale
• Optimisation systémique
• Turbine radiale centripète
• Exergie
• Exergie
• Cycle de Rankine
• Chaleur -- Récupération

Résumé

Le contexte énergétique et climatique actuel a profondément modifié les paradigmes des recherches en énergétique. Les systèmes énergétiques sont réexaminés et reconçus en vue d'améliorations radicales de leur efficacité énergétique et environnementale. C’est dans ce contexte et dans le cadre du projet ANR - EESI - ENERCO_LT que s’inscrit cette thèse. Elle s’articule autour de deux axes principaux. Le premier axe consiste en l’analyse exergétique et l’optimisation des cycles de Rankine organiques pour la valorisation des chaleurs fatales industrielles contenues dans des effluents gazeux secs et humides à basses et moyennes températures. Par l’optimisation thermodynamique, les potentiels de valorisation d’une large palette de corps purs et mélanges de fluides sont évalués pour différentes conceptions architecturales et ont permis d’indiquer comment on peut parvenir à réunir à la fois une performance élevée, des conditions opératoires acceptables et des impacts environnementaux faibles. Suite à cela, une méthode d’optimisation technico-économique est développée et fait intervenir le concept de système équivalent. Le second axe de cette thèse concerne l’adaptation à l’échelle du pilote du projet (5 kW), l’étude expérimentale et la modélisation de deux types de machines de détente : une machine volumétrique spiro-orbitale et une machine dynamique radiale centripète.

Titre traduit

Integration of organic Rankine cycles in waste-heat-recovery processes at low and medium temperatures

Résumé

Nowadays, the gradual depletion of fossil fuels combined with constraints on emissions of greenhouse gases have radically modified the research paradigms and led to increasingly restrictive standards for heavy industry in terms of energy consumption and environmental impact. In that context, this PhD has been performed in the framework of the ANR - EESI - ENERCO_LT project. It is structured around two main axes. The first axis consists of the exergy analysis and the optimization of Organic Rankine Cycles for waste heat recovery from dry and wet flue gases available at low and medium temperatures. By thermodynamic optimization, the recovery potential of a wide range of pure fluids and blends are assessed for various designs and have allowed to indicate how we can meet high efficiency, acceptable operating conditions and environmental friendly objectives. Subsequently, a technical and economic optimization method is developed. This later is based on the equivalent system concept. The second axis regards the retrofitting at the pilot scale (5 kW), the experimental study and the modeling of two expander types: a positive displacement scroll machine and a dynamic radial-inflow turbine.