Récupération de chaleur des microturbines à gaz

Les systèmes énergétiques décentralisés sont révolutionnés par les systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité, qui fournissent simultanément de la chaleur et de l'électricité avec des émissions réduites, jouant ainsi un rôle crucial dans la transition énergétique mondiale. Une micro-turbine à gaz (µGT) fonctionne selon le cycle de Brayton qui commence par une compression, suivie d'un apport de chaleur via un échangeur thermique (récupérateur) et une combustion, et se termine par une détente jusqu'à l'atmosphère. Dans ce système, le récupérateur augmente l'efficacité du cycle de 10 %, alors qu'il représente environ 30 % du coût de la machine. Il est donc important d'optimiser la conception du récupérateur afin d'obtenir à la fois un rendement thermique plus élevé et une perte de pression plus faible.Dans cette thèse, les récupérateurs brevetés de MITIS, constitués de microcanaux complexes en treillis et de collecteurs, sont étudiés par simulation numérique (CFD). En raison de la complexité géométrique du système (collecteurs amont et aval associés à plusieurs centaines de microcanaux parallèles), une analyse complète des transferts thermiques couplés nécessiterait une très grande puissance de calcul. Ainsi, une nouvelle méthodologie a été développée, basée sur un modèle d'ordre réduit (ROM) pour analyser l'ensemble des performances de l'échangeur, dans lequel les microcanaux sont modélisés comme un milieu poreux transportant un gaz compressible. Dans un premier temps, une analyse CFD 3D des transferts thermiques couplés, prenant en compte les variations importantes de température et les effets de compressibilité, a été réalisée pour une section de microcanal afin de calculer les coefficients inertiels et visqueux du modèle de milieu poreux basé sur la loi de Darcy-Forchheimer. En outre, l'implémentation d'un modèle de turbulence d'ordre élevé (Reynolds Stress Model) a permis d'obtenir le tenseur de gradient de vitesse complet pour mettre en évidence l'influence du caractère anisotropique de la turbulence sur l'écoulement dans les microcanaux isotropes en treillis. L'analyse des termes de production de turbulence a aussi permis de mieux comprendre les phénomènes de décollement et de rattachement de l'écoulement près des intersections du réseau filaire. Cette étude a ainsi montré que la présence de perturbateurs dans les microcanaux induit une diminution du nombre de Reynolds de transition laminaire/turbulent qui réduit les pertes de charge et améliore l'efficacité thermique de l'échangeur, et qu'il existe un débit massique optimal pour lequel l'efficacité thermique est maximale.L'étude des collecteurs associés à différentes configurations de microcanaux (pertubateurs en S, en treillis et canaux plans) par l'approche ROM a montré que les variations de débit massique diminuent avec l'augmentation de la résistance des microcanaux. Les zones de recirculation dans les collecteurs cylindriques modifient également le schéma de maldistribution. Une baisse importante de l'efficacité thermique a aussi été identifiée à faibles débits massiques en raison des pertes par conduction axiale dans les parois et d'une forte maldistribution de l'écoulement, expliquant la faible efficacité de la µGT au démarrage.Des essais réalisés sur un microcanal isolé avec perturbateurs en S ont confirmé que la présence de perturbateurs déplace la transition turbulente vers des valeurs du nombre de Reynolds inférieures à celle des canaux libres. L'analyse expérimentale d'un micro-échangeur de chaleur complet avec collecteurs triangulaires a montré que les pertes de pression des collecteurs sont de l'ordre de 40 à 50% de celles des microcanaux. Une comparaison des données expérimentales avec les résultats numériques obtenus par la méthodologie hybride proposée a montré que le ROM peut prédire les performances du récupérateur (efficacité thermique et perte de pression) avec une précision restant dans les limites de l'incertitude expérimentale.