Machine à cycle de Rankine organique

Le cycle de Rankine représente la forme la plus simple des cycles moteur à vapeur qui sont communément étudiés pour la récupération de chaleur et ce sont très probablement les plus anciens convertisseurs thermo-mécanique ayant existé [74]. Au cours d’un tel cycle, des changements de phase ont lieu dans une étape de vaporisation et dans une étape de condensation, ce cycle est souvent fermé mais il peut être ouvert. Dans sa forme conventionnelle (cycle de Rankine), le fluide de travail est l’eau qui est chauffé et vaporisé grâce à un apport de chaleur et est ensuite détendu pour produire de l’énergie mécanique, qui peut être transformée par la suite en électricité à travers un alternateur. Selon l’objectif de la présente étude qui est consacré à la conversion à petite échelle qui permet de produire des faibles (micro) puissances suffisantes à partir des puits de chaleur de bas potentiel, ces puits ne peuvent pas convertir économiquement en micro-puissances par le cycle conventionnel de Rankine à cause de leur performance dégradé lorsque la température de la source de chaleur diminue. Cette dégradation de la performance traduit d’une part par le potentiel d’ébullition de l’eau lié à une température d’ébullition qui est relativement élevée et d’autre part par les potentiels de variations de pression et d’enthalpie dans la turbine (peut être abimés par la présence de gouttelettes d’eau en fin de détente). De surcroît l’utilisation de l’eau comme fluide moteur nécessite d’atteindre des températures supérieures à 400°C et des pressions de l’ordre de 40 bars pour obtenir un cycle économiquement rentable. Ainsi les coûts fixes sont élevés (déminéralisation de l’eau,..), ce qui rend économiquement non rentable les installations de puissance inférieure à 2MW [77].

133

Dans ce contexte, l’utilisation d’un fluide organique s’avère plus judicieuse que celle de l’eau notamment lorsque ce dernier s'évapore à moyenne et basse températures inférieures à 300°C. Ce qui procure aux installations énergétiques de petites puissances relativement de meilleures fiabilité et efficacité. Le choix de la production des faibles (micro) puissances (mécanique ou électrique) à partir d’un ORC se justifie par sa plus grande simplicité par rapport à un cycle de Rankine classique pour des températures faibles [78].

II.2.2.1. Principe de fonctionnement

Lorsque le fluide utilisé est un fluide organique on l’appelle cycle de Rankine organique ou ORC correspondant à organic Rankine Cycle. Il s’agit d’un cycle qui a le même principe que le cycle classique de Rankine mais avec un fluide organique. Son cycle élémentaire comporte un générateur de vapeur (évaporateur), une turbine, un condenseur et une pompe. Le fluide organique passe successivement dans les quatre modules (fig II.34). La pompe de circulation fait renvoyer le fluide vers l'évaporateur où il est vaporisé par la chaleur épuisée à partir de la source chaude. La vapeur arrive par la suite à la turbine, se détend en produisant du travail mécanique. Elle arrive à l’état de saturation au condenseur où elle subit la condensation totale et permettra au cycle de recommencer.

Figure II. 37. Schéma de principe des composants pour un cycle de Rankine organique.

II.2.2.2. Les fluides de travail utilisés

Produire une puissance mécanique (électrique) ou fournir une énergie quoi que ce soit leur type d’une manière efficace et durable nécessite un fluide actif (moteur) avec certaines caractéristiques définit le comportement thermodynamique du cycle. Principalement il existe plusieurs groupes de fluides

134

organiques (Fluides purs et mélanges (azéotrope, quasi-azéotrope et non-azéotrope) ; Hydrocarbures (HCs) ; Perfluorocarbures (PCFs) ; Chlorofluorocarbures (CFCs) ; Hydrofluorocarbures (HFCs) ; Hydrofluoroléfines (HFOs) ; Hydrofluorochlorocarbures (HCFCs) ; Siloxanes et Alcools ; fluides réfrigérants, fluides non réfrigérants [79]) qui sont souvent classifiés selon leurs pente de la courbe de saturation de vapeur dans le diagramme Température-entropie (T-s) en trois catégories. Les fluides séchant possèdent une pente positive, les fluides mouillants – négative alors que les fluides isentropiques se caractérisent par une courbe verticale de saturation de vapeur. Ces différentes caractères peuvent modifie le comportement du fluide durant sa détente et donc modifier le comportement thermodynamique du cycle. Du point de vue des performances énergétique, le choix idéal d’un fluide de travail pour le cycle de Rankine dont les propriétés thermodynamiques et physiques qui doit satisfaire les critères techniques, écologiques et économiques établis par [80].

II.2.2.2.1. Critère technique

 La température critique du fluide de travail doit être bien supérieure à la température la plus élevée du cycle (cas sous-critique). L’évaporation du fluide de travail peut se faire à la température maximale du cycle. Cela a pour résultat un rendement relatif important du système.

 La pression de saturation à la température maximale du cycle ne doit pas être excessive. La pression élevée amène de problèmes de contrainte mécanique.

 La pression de saturation à la température minimale (c.à.d. la pression de condensation) du cycle ne doit pas être trop faible pour éviter les problèmes d’étanchéité et la pénétration de l’air ambiant dans le système.

 Le point triple doit être bien inférieur à la température ambiante minimale qui est désirée. Cela assure que le fluide ne se solidifie pas à tous les points de fonctionnement du système incluant le temps de traitement à l’extérieur du cycle.

 Une faible valeur de chaleur spécifique du liquide ou, alternativement, un ratio faible de nombre d’atomes par molécule divisé par la masse moléculaire (c.à.d. amenant à ds/dT~0 pour la courbe de saturation de liquide) et un ratio important entre chaleur latente de vaporisation et la chaleur spécifique du liquide sont souhaités. Cela réduit la quantité de chaleur demandée pour augmenter la température du liquide sous-refroidi à la température d’évaporation. Par conséquent, la plupart de la chaleur est ajoutée à la température maximale du cycle, et le cycle approche plus celui de Carnot.

 Une viscosité faible, une chaleur latente importante de vaporisation, une conductivité thermique élevée et une bonne capacité de mouillage du fluide de travail sont préférées. Ces propriétés assurent que les chutes de pression en traversant les échangeurs et les tuyaux auxiliaires sont faibles et que le taux d’échange thermique dans des échangeurs est important.  Un bon fluide de travail doit avoir des volumes spécifiques faibles. Ces propriétés affectent les

135

rapporte directement aux tailles et coût d’achat des composants du cycle. En plus, un volume spécifique important de vapeur conduit à des écoulements volumétriques importants à l’échappement du détendeur et a pour résultat des pertes significatives de pression. Le volume spécifique du liquide à la pression de condensation doit être aussi faible que possible pour minimiser la demande en travail de la pompe.

 La pente (ds/dT) de la courbe de saturation de vapeur du fluide de travail dans le diagramme T-s est préférée au voisinage de zéro. Cela prévient la production excessive de condensat ou de surchauffe pendant la détente. Cela assure aussi que le rejet de chaleur dans le condenseur se fait à la température minimale du cycle.

II.2.2.2.2. Critère écologique

 Non-corrosivité et compatibilité avec les matériaux communs du système sont des critères importants de sélection.

 Le fluide de travail doit être chimiquement stable à tous les niveaux de température utilisée dans le système. La résistance de décomposition thermique du fluide de travail en présence des lubrifiants et des matériaux du container est un critère important.

 Non-toxicité, ininflammabilité, non-explosivité, non-radioactivité, et actuelle acceptabilité industrielle sont également des caractéristiques désirables.



II.2.2.2.3. Critère économique

 Le coût faible et la disponibilité en quantité importante sont désirés.

II.2.2.3. Diagrammes thermodynamiques utilisés

Le cycle de base d’un cycle de Rankine comprend deux isobares et deux adiabates et peut être décrit dans un diagramme entropique (T, s) ou (h, s) à l’aide de cinq étapes (Figure II.35) :

 1-2 : compression adiabatique du liquide;

 2-3 : chauffage isobare du liquide;

 3-4 : détente adiabatique de la vapeur (accompagnée d’une condensation partielle);

 4-1 : condensation totale de la vapeur à température et pression constantes.

Si le cycle n’est plus endoréversible mais que l’on tient compte des irréversibilités au niveau de la pompe et de la turbine, la démarche est similaire. Le point 1 est inchangé de même que le point 3, en revanche les points 2 et 4 ne sont plus situés sur les isentropes dans la mesure où les transformations adiabatiques ne sont plus réversibles. On a besoin d’une information supplémentaire pour placer les points 2 et 4 dans le diagramme [76]. Dans ce cas, on utilise les rendements isentropiques pour caractériser les irréversibilités des procédés de compression et de la détente.

136

Figure II.38. Cycle théorique et réelle de cycle de Rankine Organique [70].

II.2.2.4. L’efficacité énergétique et exergétique d’un cycle de Rankine organique II.2.2.4.1. L’efficacité énergétique

a- L’efficacité énergétique idéale (Carnot)

η

= 1 −

Tsc

b- L’efficacité thermique pratique (réel)