Study and energy optimization of zeotropic mixtures for themodynamic Rankine cycles

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.Organic Rankine Cycles (ORC) are thermodynamic machines that convert heat, especially at low temperatures (below 120°C in our case), into electricity. Usually this type of thermodynamic cycle uses a pure fluid as working fluid; here our work has also involved the use of a mixture of different fluids. Indeed, a specific type of mixture, the zeotropic mixtures, is expected to increase the performance of ORC cycles. However, few experimental investigations over a complete cycle have been done to confirm this trend. The aim of this thesis is to experimentally study the behavior of a thermodynamic machine with different working fluids (pure or mixtures), and aims at optimizing its performances. This work is also taking place in a general context of the renewal of refrigerants, which are more environmentally friendly, with the aim of replacing the fluids currently used in thermodynamic machines such as ORCs.This document first presents the Organic Rankine Cycles and the specificity brought by the use of zeotropic mixtures with regard to current energy and environmental issues. Three pure fluids, Novec649, HFE7000 and HFE7100, were studied, as well as mixtures of Novec649 and HFE7000 of different mass proportions. All these fluids have a zero Ozone Depletion Potential (ODP) and a low Global Warming Potential (GWP) compared to the fluids conventionally used. Several experimental campaigns have been carried out over a complete ORC cycle, allowing the valorization of a heat source of about ten thermal kilowatts at a temperature between 100°C and 110°C on a classical ORC configuration, as well as on a new architecture. The tests were analyzed at the scale of the overall system and at the scale of the components, preheater, evaporator, condenser and turbine. A new measurement method for the composition of mixtures has been designed, developed and implemented. Physical models of the components, based on a semi-empirical approach, have also been developed and programmed in the EES software coupled with the thermodynamic property database REFPROP. These models (two-phase heat exchange correlations, isentropic efficiency, ...) are relevant to pure fluids and zeotropic mixtures of different compositions and have been validated on measurements from experimental campaigns. The global comparative analysis of these results has allowed a better understanding of the behavior of zeotropic mixtures, with the possibility of a performances optimization of the ORC thanks to them