Étude et optimisation énergétique des mélanges zéotropes pour les cycles thermodynamiques de Rankine

Résumé :

Les cycles de Rankine à fluides organiques (de l’anglais Organic Rankine Cycle, ORC) sont des machines thermodynamiques qui permettent de convertir de l’énergie thermique, notamment à basse température (inférieure à 120°C dans notre cas), en énergie électrique. Habituellement ce type de cycle thermodynamique utilise un fluide pur comme fluide de travail ; ici notre travail a également porté sur l’utilisation d’un mélange de plusieurs fluides. En effet, un type spécifique de mélange, les mélanges zéotropes, est pressenti pouvoir permettre un accroissement des performances des cycles ORC. Cependant, peu d’études expérimentales sur un cycle complet ont permis de confirmer cette tendance. Cette thèse a pour but d’étudier expérimentalement le comportement d’une machine thermodynamique avec différents fluides de travail (purs ou mélanges), et vise à en optimiser les performances. Ces travaux s’inscrivent également dans un contexte général de renouvellement de fluides frigorigènes, plus respectueux de l’environnement, dans le but de remplacer les fluides actuellement utilisés dans les machines thermodynamiques tels que les ORC. Le présent document dresse en premier lieu une présentation des cycles organiques de Rankine et de la spécificité apportée par l’utilisation des mélanges zéotropes au regard des questions énergétiques et environnementales actuelles. Trois fluides purs, le Novec649, le HFE7000 et le HFE7100, ont été étudiés, ainsi que des mélanges de Novec649 et de HFE7000 de différentes proportions massiques. Tous ces fluides possèdent un indice de destruction de la couche d’ozone (ODP) nul et un faible indice de réchauffement climatique (GWP) en comparaison des fluides classiquement utilisés. Plusieurs campagnes expérimentales ont été menées sur un cycle ORC complet, permettant de valoriser une source de chaleur d’une dizaine de kilowatts thermiques à une température située entre 100°C et 110°C sur une configuration classique d’ORC, ainsi que sur une nouvelle architecture. Les essais ont été analysés à l’échelle du système global et à l’échelle des composants, préchauffeur, évaporateur, condenseur et turbine. Une nouvelle méthode de mesure de la composition circulante des mélanges a été conçue, développée et mise en pratique. Des modèles physiques des composants, reposant sur une approche semi-empirique, ont également été élaborés et programmés dans le logiciel EES couplé à la base de propriétés thermodynamiques REFPROP. Ces modèles (corrélations d’échange thermique diphasique, rendement isentropique, …) sont applicables à des fluides purs et des mélanges zéotropes de différentes compositions et ont été validés sur les mesures issues des campagnes expérimentales. L’analyse comparative globale de ces résultats a permis une meilleure compréhension du comportement des mélanges zéotropes, avec une possibilité d’optimisation des performances du cycle ORC grâce à eux.