Étude numérique et expérimentale d’un cycle de Rankine-Hirn de faible puissance pour la récupération d’énergie

Technologie des cycles de Rankine 

Fluide de travail

Comme on l’a entrevu au paragraphe précédent le choix du fluide de travail a un impact de premiére importance sur le comportement d’un cycle à vapeur. Nous avons vu que la forme de la courbe de saturation modifie le comportement du fluide durant sa détente. D’autres caractéristiques influent le choix du fluide : du point de vue des performances énergétiques la température critique du fluide définit la gamme de températures pour laquelle l’usage du fluide sera préférable [9]. Différents auteurs ont établi des listings de fluides à utiliser de préférence en fonction de différents paramétres. Wang [68] s’est intéressé aux performances énergétiques d’un cycle ORC en fonction de la température de la source chaude dans le cadre de la récupération de chaleur fatale. Ses résultats sont synthétisés dans la figure 1.24. Figure 1.24 – Sélection du fluide de travail optimal en fonction de la température de la source chaude On peut également citer Quoilin [58] qui s’est intéressé au couple fluide de travail/machine 4 de détente pour définir des cartographies d’utilisation des fluides en fonction de leurs températures d’évaporation et de condensation. La figure 1.25 présente une cartographie d’utilisation de fluides organiques pour une machine de détente de type scroll. L’auteur a réalisé un travail semblable pour les machines de détente à vis et les turbines radiales mono-étagées. Figure 1.25 – Cartographies d’utilisation de fluides organiques pour une machine de détente de type scroll Au delà des stricts performances énergétiques, des contraintes pratiques s’ajoutent à la sélection du fluide de travail. Dans son article Quoilin [58] établit une liste de 13 critéres généraux destinés à la sélection du fluide. 1. Les performances thermodynamiques du cycle, ce critére étant changeant d’une application à l’autre, par exemple maximum de puissance ou maximum de rendement, il est spécifiquement à définir pour chaque cas. 2. Courbe de vapeur saturée positive, isentropique ou négative : détermine en partie l’allure du cycle et le type de machine de détente, une courbe de vapeur saturée positive ne nécessite pas de cycle avec surchauffe. 3. Une masse volumique de vapeur élevée : une faible masse volumique tend à augmenter les dimensions du systéme. 4. Une faible viscosité du fluide : a une influence sur les échanges thermiques et les pertes par frottement.Une bonne conductivité thermique, également pour améliorer les transferts thermiques. 6. Une pression d’évaporation pas trop élevée : plus cettepression est importante et plus le coˆut et la complexité de l’installation augmentent. 7. Une pression d’évaporation supérieure à la pression atmosphérique de sorte à éviter les infiltrations d’air. 8. Un fluide stable à haute température, la majeure partie des fluides organiques se dégradent à partir de l’intervalle de température de 200◦C à 300◦C. 9. Un fluide qui ne géle pas aux températures usuellement rencontrées par l’application. 10. Un fluide le moins dangereux possible en terme de toxicité ou d’inflammabilité, et bien sˆur autorisé par la loi. 11. Un faible ODP (Ozone Depleting Potential) 12. Un faible GWP (Low Greenhouse Warming Potential) 13. Un faible coˆut et une bonne disponibilité On voit donc que le choix du fluide est primordial puisqu’il définit le comportement thermodynamique du cycle mais qu’il aura également une grande influence sur le dimensionnement des autres organes du systéme. Pour ce travail de recherche l’eau a été choisie. Ce fluide semble bien adapté à la gamme de températures des gaz d’échappement d’un moteur. Il a été étudié par de nombreux auteurs [55, 21, 49, 38]. L’eau n’est cependant pas sans inconvénient : elle géle à des températures qui peuvent se rencontrer sur un véhicule. La température de condensation de l’eau à pression atmosphérique est de 100◦C. Abaisser la température de condensation nécessite donc un fonctionnement en dépression. Mais d’un point de vue pratique l’eau est facile à utiliser, n’est pas toxique ni inflammable ni polluante et peu coˆuteuse. Pour la mise au point d’une installation d’essais l’eau est ainsi trés avantageuse.

Machine de détente

La machine de détente est l’organe du cycle de Rankine qui effectue la conversion thermo-mécanique d’une part de l’énergie transférée au fluide de travail au travers de l’échangeur thermique. Ces machines peuvent ˆetre de différents types. Deux grandes catégories se distinguent : les machines cinétiques et les machines volumétriques. Les turbines appartiennent à la premiére catégorie. Dans ce type de machines un fluide sous pression est détendu et accéléré dans une tuyére. L’énergie mécanique est obtenue par échange de quantité de mouvement entre le fluide accéléré et la roue mobile. L’intérˆet majeur de ces machines est leur simplicité. Elles ne sont constituées que d’un seul ensemble mobile, la roue. Cependant pour les applications de faible puissance, de quelques kW à quelques dizaines de kW, pour lesquelles les machines sont de petites dimensions, les régimes de rotation nécessaires sont de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. Les turbines nécessitent donc des réducteurs ou des d’alternateurs à haute vitesse pour ˆetre exploitables réduisant leur avantage de simplicité mécanique. La figure 1.26 est un exemple de turbine pour un projet de cycle ORC pour poids lourds intégrant un alternateur. Figure 1.26 – Turbine pour cycle ORC adapté aux poids lourds développé par Cummins La seconde catégorie, celle des machines volumétriques est constituée de techniques variées [41] telles que les machines à pistons figure 1.27, à spirales (ou scroll) figure 1.28, à vis 1.29 ou encore à palette 1.30. Dans ces machines le fluide sous pression est enfermé E dans un volume hermétique de dimension variable. L’augmentation de ce volume provoque une chute de pression du fluide et un échange de travail avec le mécanisme de contrˆole du volume variable, un vilebrequin par exemple. Ces machines sont plus complexes que les turbines et constituées de nombreuses piéces. Leur étanchéité n’est jamais parfaite et leurs pertes par frottement sont en général importantes. Leurs régimes de rotation sont par contre relativement faibles et les taux de détente peuvent, selon le type de machine volumétrique, ˆetre importants. Ces deux derniers points rendent les machines volumétriques compétitives par rapport aux turbines pour les applications de faible puissance. Figure 1.27 – Machine à piston Steamdrive Parmi les machines volumétriques il a été choisi d’utiliser une machine à piston. Plusieurs raisons ont motivé ce choix. D’autres chercheurs et entreprises ont fait ce choix et semblent obtenir de bons résultats [21, 49, 61]. Il semblait relativement simple et peu coˆuteux de modifier un moteur à combustion interne du commerce. Ayant choisi l’eau comme fluide de travail il semblait nécessaire d’avoir une machine de détente permettant 50 1.3. TECHNOLOGIE DES CYCLES DE RANKINE Figure 1.30 – Machine à palette le sens o`u la puissance qu’elle absorbe est relativement faible devant celle de la machine de détente. De plus les pompes pouvant convenir à une application en cycle de Rankine sont courantes dans l’industrie. Les pompes à piston et à membranes sont celles qui permettent les pressions les plus hautes (jusqu’à plusieurs centaines de bars) mais occasionnent une discontinuité du débit. Les pompes à engrenage et à palettes fournissent un débit stable mais leurs pressions maximum sont plus limitées.