CYCLE ORGANIQUE SOUS- ET SUPERCRITIQUE DE RANKINE POUR LA VALORISATION DES

REJETS THERMIQUES INDUSTRIELS

Van Long Le a, Michel Feidt a, Abdelhamid Kheiri a, Stéphanie Jumel ba Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée – LEMTA

b EDF – R&D

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Plan

• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

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• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

Contexte énergétique

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La demande d’électricité mondiale par secteurSource: World Energy Outlook 2011

Epuisement de ressource fossileSource: http://www.ecotricity.co.uk/our-green-energy/energy-independence/the-end-of-fossil-fuels

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Problèmes environnementaux

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Tch

ern

ob

yl

Fuku

shim

a

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Valorisation des rejets thermiques

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- Amélioration de l’efficacité énergétique

- Satisfaction de la demande d’électricité

- Diminution de la pollution thermique

Chaleur fatales Valorisation

- Gaz d’échappement, surface chaude, produit chaud

- Energie perdue (20 – 50 %)

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Solution ORC

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Source de chaleur à basse température

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Tb élevée

Tb faible

Energie solaire

Géothermie

Rejets thermiques

Cyc

le c

lass

iqu

eC

ycle

OR

C

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• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

ORC sous- et supercritique

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ORC souscritique ORC supercritique

Fluides organiques

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-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

-50

0

50

100

150

200

s [J/(kg.K)]T

[C

]

Am

monia

Hexa

ne

R141b

isentropic fluid

dry fluid

wet fluid

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Fluide mouillant:dT/ds < 0Fluide isentropique:Courbe de saturation de vapeur verticalFluide séchant:dT/ds > 0

Trois types du fluide de travail du cycle ORC

Corps pure (R245fa) ou mélange (R410A: 50%R32/50%R125)

Composants du cycle

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• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

Equations – Bilan énergétique

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�̇� = �̇ ℎ�,��� − ℎ�,�� /��,�

�̇� = �̇ ℎ����,��,��� − ℎ����,��,��

�̇��� = �̇ ℎ���,�� − ℎ���,���

�̇� = �̇ ℎ����,��,�� − ℎ����,��,���

�̇��� = �̇��� − �̇�

��� =�̇���

�̇��

����,�� =�̇���

�̇���,��

=ℎ���,�� − ℎ���,���

ℎ���,�� − ℎ���,���,��

��,�� =�̇�,��

�̇�

=ℎ�,���,�� − ℎ�,��

ℎ�,��� − ℎ�,��

Pompe

Evaporateur

Détendeur

Condenseur

Puissance nette

Rendement thermique

Equations – Analyse exergétique

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��̇ = ���̇ ��,��� − ��,��

��̇��� = �� �̇ �����,��,��� − �����,��,�� + �̇� �����,��,��� − �����,��,��

��̇���� = �̇� ℎ����,��,�� − ℎ����,��,��� − �� �����,��,��� − �����,��,��

��̇�� = ���̇ ����,��� − ����,��

��̇��� = �� �̇ �����,��,��� − �����,��,�� + �̇� �����,��,��� − �����,��,��

��� =�̇���

��̇�����

Pompe

Evaporateur

Détendeur

Condenseur

Rendement exergétique Exergie détruite

��̇�� = ��̇ + ��̇��� + ��̇�� +��̇���

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• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

Cas d’étude

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Entrées Sorties

source de chaleur: l’air (Thsi = 150°C, �̇�

= 0.1 kg/s)Puits froid: l’eau (Tcsi = 15°C)pr = 0.8 (souscritique)/1.5 (supercritique)TExp,in = 139 °CTcond = 25 °CP,is = Exp,is = 0.8P,m = Exp,m = 0.9Tpinch,Evap = 10 °CTpinch,Cond = 3 °C

Souscritique Supercritique

R245fa

�̇��� = 193.8 W��̇�� = 204.5 W I = 13.56 %Ex = 44.11 %�̇ = 0.0054 kg/s�̇� = 0.0355 kg/sTevap = 134.6 °CThso = 136 °CTcso = 23.15 °C

R134a886.2 W814.8 W11.39 %45.76%0.0347 kg/s0.2139 kg/s-73.46 °C22.54 °C

ORC souscritique – R245fa

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ORC supercritique – R134a

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Débit du fluide de travail

∆�����,���

∆�����,���

= ������,����

�̇���

�̇

Location de pincement

Performance du cycle

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ORC supercritique – R134aORC souscritique – R245fa

Analyse exergétique

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ORC supercritique – R134aORC souscritique – R245fa

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• Introduction

• ORC sous- et supercritique

• Equations

• Cas d’étude

• Conclusions - Perspectives

Conclusions - Perspectives

• ORC est une modification du cycle classique de Rankine

• ORC est recommandé pour la production d’électricité à partir des sources de chaleur à basse température

• ORC est adapté pour les petites et les micros centrales

• Les fluides séchant et isentropique sont recommandé pour les cycles ORC

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Merci de votre attention!

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