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Systèmes thermodynamiques génériques

Technologies innovantes pour l’efficacité énergétique

L'approche systémique d'analyse des procédés industriels permet d'identifier des gains énergétiques importants. Ces gains ne peuvent être obtenus que si des systèmes thermodynamiques moteurs et récepteurs (pompe à chaleur, machines de réfrigération, systèmes de cycle organique de Rankine (ORC), ...) ayant une grande efficacité énergétique et dans un contexte de prix défini sont disponibles. La particularité des systèmes industriels (niveau de température, puissance, nature des fluides, ...) conduit à des systèmes différents des systèmes classiques. Ceci conduit à des travaux à plusieurs échelles :

• La compréhension de phénomènes d'échange (à l'échelle des composants) et leur modélisation
• Une méthodologie de définition de l'architecture thermodynamique
• Le développement de preuves de concept qui constitue une des particularités du laboratoire.

Les systèmes qui nous intéressent sont :

• Pompes à chaleur
• Transformateurs de chaleur et les machines à absorption
• Turbines diphasiques
• Cycles à éjecteur
• Cycles organique de Rankine (ORC)

Pompes à chaleur

Le CES travaille sur le développement de pompes à chaleur à haute température (>100°C) fonctionnant avec de nouveaux fluides à faible pouvoir de réchauffement global (GWP). L’analyse exergétique de ces systèmes de valorisation de chaleur perdue pour assurer des besoins à haute température montre l’intérêt des mélanges de fluides à grands glissements de température ou des cycles transcritiques en fonction de la nature des effluents valorisés.

Cependant, il n’existe pas de travaux publiés surtout avec les nouveaux fluides thermodynamiques (HFO à faibles GWP) étudiant les échanges de chaleur dans ces conditions ni caractérisant le comportement des compresseurs et leurs lubrifiants. Les travaux expérimentaux menés au CES permettent de caractériser les différents composants.

Ces travaux permettront de concevoir des systèmes innovants à haute efficacité énergétique. Des prototypes de preuve de concept aideront à l’accélération du transfert de ces technologies vers l’industrie.

Transformateurs de chaleur et machines à absorption

La machine à absorption est une machine tritherme qui produit du froid à partir d’une source chaude. Cette machine est composée principalement d’un évaporateur, d’un condenseur, d’un détendeur et d’un système de compression thermique à absorption composé d'un absorbeur, d'un générateur de vapeur, d'un échangeur de chaleur, d'une pompe de liquide et d’une vanne de détente (figure ci-dessus). Les solutions conventionnelles de travail des systèmes à absorption sont la saumure Eau-LiBr (bromure de lithium) et la solution Eau-Ammoniac.

Cette machine est composée principalement d’un évaporateur, d’un condenseur, d’une pompe et d’un système de compression thermique à absorption composé d'un absorbeur, d'un générateur de vapeur, d'un échangeur de chaleur, d'une pompe de liquide et d’une vanne de détente (figure ci-dessus). Les écoulements dans un transformateur de chaleur ont lieu dans le sens inverse des écoulements de la machine à absorption productrice du froid. Les solutions conventionnelles de travail des systèmes à absorption sont la saumure Eau-LiBr (bromure de lithium) et la solution Eau-Ammoniac.

Actuellement, le CES analyse différentes solutions de travail adaptées au transformateur de chaleur selon la température de source des effluents (le générateur de vapeur et l’évaporateur) et la température du besoin (l’absorbeur). Les solutions de travail peuvent être des mélanges de fluides organiques ou des saumures (eau et sel).

Turbines diphasiques

La turbine diphasique est un organe de détente qui est alimenté par du liquide et qui refoule un fluide en état diphasique à la sortie. La turbine de détente diphasique est intégrable dans les procédés contenant des vannes de détente diphasiques comme les groupes de réfrigération et le groupe d’eau glacée, et dans les cycles triangle (cycle moteur). Le CES a débuté les travaux sur les turbines diphasiques en 2000 et une turbine à impulsion d’une puissance de 2 W a été conçue et réalisée. Les travaux ont été poursuivis depuis 2008, et un brevet sur la conception des tuyères de détente diphasiques a été obtenu. Le CES dispose des modèles de conception des turbines diphasiques à action et à réaction totale.

Le CES a développé des turbines diphasiques du type action totale « Pelton » et du type réaction totale « Hero ». Plusieurs turbines diphasiques ont été réalisées et testées.

Conception de la turbine "Pelton" diphasique	Réalisation de la turbine "Pelton" diphasique

Actuellement, le CES développe une version performante de turbine diphasique Hero d’une puissance de 5 kWe fonctionnant au R-134a et intégrable dans un groupe d’eau glacée dont la température de condensation est de 35°C et dont la température d'évaporation est de 2°C.

 Cycle à éjecteur

Le principal intérêt à utiliser un éjecteur provient principalement de l’utilisation de l’énergie thermique à basse température pour produire du froid. La production du froid à partir d’une énergie thermique par un éjecteur est plus compacte et fiable que les cycles à absorption (Li-Br ou ammoniac-eau) et les cycles à adsorption (zéolithes, silica-gel). Les éjecteurs offrent des avantages par rapport aux cycles de réfrigération ordinaires : ils se caractérisent par leur simplicité, leur faible coût et un bas niveau d’entretien et présententégalement l’avantage de pouvoir fonctionner en utilisant de la chaleur à basse température.

D’autre part, l’éjecteur est utilisé dans les cycles thermodynamiques comme un étage de compression afin d’améliorer le rendement global des procédés. L’éjecteur peut être monophasique (liquide ou vapeur) ou diphasique (entrée liquide – sortie diphasique). De plus, l’éjecteur est utilisé dans les procédés où les machines tournantes (pompes, compresseurs, ventilateurs) sont très couteuses ou leur fonctionnement est délicat : aspiration des fumées des haut-fourneaux, création du vide dans les centrales de désaliénation, pompage des fluides cryogéniques. 

Un éjecteur est un composant dont le rôle est de détendre un fluide primaire (fluide moteur) à haute pression pour aspirer un fluide secondaire (fluide entraîné) à une pression légèrement supérieure à la pression atteinte par le fluide primaire. Dans les pompes liquides à éjecteur, les deux fluides (détendu et entraîné) sont identiques et se mélangent produisant une élévation de pression due à la quantité de mouvement du fluide primaire. Ainsi, l'éjecteur réalise une compression du fluide secondaire au prix d'une baisse d'enthalpie du fluide primaire. La figure 2 représente le schéma d’un éjecteur et montre ses différentes parties ainsi que les profils de pression et de vitesse selon la longueur axiale de l’éjecteur. L’éjecteur est composé de quatre parties principales :

i  : buse (tuyère) pour le fluide primaire.

j : chambre de mélange à pression constante.

k : chambre de mélange à section constante.

l : diffuseur.

Le fluide moteur (section 1) entre dans la buse (tuyère convergente divergente) avec une vitesse presque nulle et une pression P₁, ce fluide se détend et s’accélère à l’intérieur de la buse créant ainsi une baisse de pression dans la zone de mélange, il atteint une vitesse sonique au col de la buse (section b). La pression P_L atteinte par le fluide primaire à la sortie de la buse est légèrement inférieure à la pression du fluide secondaire entrant par la section 2, ce qui aspire le fluide secondaire.

La détente du fluide primaire continue (cône fictif) dans la chambre de pression constante sans se mélanger avec le fluide secondaire. Ensuite les deux fluides entrent dans la chambre de mélange à section constante où ils se mélangeront (section m). Ce mélange se caractérise par une vitesse V_m et une pression P_m supérieure à P_L. À noter que si le flux mélangé est supersonique, une onde de choc normale peut prendre place dans la chambre de mélange, ce qui ralentit le fluide et crée une surpression importante. Enfin les deux fluides entrent dans le diffuseur (section n), ce dernier permet de convertir la vitesse résiduelle en pression. Le CES a déjà développé un modèle pour les éjecteurs monophasiques (liquide ou vapeur) et un modèle pour les  éjecteurs diphasiques. 

Actuellement, le CES est en train de développer un système à éjecteur solaire produisant du froid positif et présentant une haute performance.

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