Étude et simulations d’une turbine de détente diphasique

Analysis and simulations of a two-phase flow turbine

• Auteur / Autrice : Youssef Aaraj
• Direction : Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Procédés
• Date : Soutenance le 22/09/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Jury : Président / Présidente : Georges Descombes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Frédéric Plourde, Denis Clodic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Predrag Hrnjak, Jürg Schiffmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réfrigération et appareils frigorifiques -- Économies d'énergie

Mots clés libres

Détente diphasique

Turbine

Hero

Two-Phase flow

Expander

Hero

Résumé

Une turbine diphasique est utilisée pour remplacer le détendeur classique des systèmes de réfrigération. Dans la turbine, une tuyère transforme l'enthalpie de l'écoulement en énergie cinétique. Remplacer la détente isenthalpique classique par une détente isentropique augmente le coefficient de performance d'un système de réfrigération d'une valeur qui peut aller jusqu'à 20 %, pour la même consommation électrique du compresseur. Pendant cette transformation, la pression statique de l'écoulement diminue et un changement de phase se produit au col de la tuyère. La détente d'un écoulement diphasique est étudiée analytiquement et simulée avec le logiciel de CFD Fluent 13. Un modèle d'évaporation adapté à la détente diphasique est ajouté à l'algorithme de dynamique de fluide dans Fluent 13, afin de créer et simuler le changement de phase à l'intérieur de la tuyère. Le modèle d'évaporation est basé sur la théorie de la nucléation et sur des résultats expérimentaux. Le modèle calcule le taux de nucléation hétérogène initiée par les cavités de la paroi intérieur de la tuyère, et le taux de nucléation hétérogène initiée par la présence de bulles de vapeur au cœur de l'écoulement. Outre les tuyères, la roue de la turbine est aussi conçue. La roue récupère l'énergie cinétique d'un écoulement diphasique et la transforme en un couple de moment. La géométrie des différents éléments de la roue est définie afin d'assurer l'intégrité mécanique et un bon rendement énergétique. La conception de la roue prend en considération le comportement de l'écoulement en contact avec les paliers de la roue, la perte de puissance due aux frottements aérauliques, ainsi que de nombreux autres facteurs. Fluent 13 est utilisé pour simuler l'écoulement diphasique à l'intérieur des augets de la roue, ainsi que pour calculer les pertes dues aux frottements aérauliques. Le rendement calculé de la turbine est vérifié avec des tests d'une turbine diphasique dans un groupe refroidisseur d'eau ayant une puissance de réfrigération de 700 kW.

A two-phase turbine used to replace the usual expander in a refrigeration system needs a nozzle/expander to transform the flow enthalpy into kinetic energy. Replacing the isenthalpic expansion by the isentropic one, increases the coefficient of performance of refrigeration system up to 20% for the same compressor input power. During this transformation, the static pressure of the flow decreases and a phase change occurs at the nozzle throat. The expanding and flashing flow in the convergent and divergent parts of a nozzle is analytically studied and then simulated using the CFD software Fluent 13. A separate evaporation model is added to the fluid dynamics algorithms in Fluent 13 in order to create the phase change inside the nozzle. The evaporation model is based on the classical theory of nucleation and on experimental results: it calculates the heterogeneous nucleation initiated by the wall cavities and the heterogeneous nucleation initiated by the presence of vapor bubbles in the flow. The turbine is composed of the designed nozzles and a rotor that recovers the kinetic energy of the two-phase flow and transforms it into torque. The geometry of the rotor components is designed to provide mechanical integrity and high efficiency. The design takes into consideration the flow behavior inside the rotor, the power loss due to drag force, and many other factors. Fluent 13 is used to study the flow inside the rotor buckets and to estimate the power loss due to drag force. The turbine calculated efficiency is verified by testing a two-phase turbine in a water chiller having a refrigeration capacity of 700 kW.