Étude thermodynamique en dimensions finies des cycles de puissance utilisant un mélange ammoniaque-eau avec des rejets de faible température comme source de chaleur

Abstract

De nos jours, la valorisation des rejets thermiques de basse température pour produire de l'énergie utile est un moyen très propice pour diminuer la consommation d'énergie ainsi qu'augmenter l'efficacité énergetique dans le secteur industriel. Les technologies utilisées actuellement dans 1'industrie telle que le cycle de Rankine organique comportent plusieurs limitations importantes. Les cycles de puissance utilisant un mélange binaire ammoniaque-eau comme fluide moteur sont depuis un certain temps une alternative qui permet la récuperation plus efficace des rejets thermiques à faible température. Ce projet propose une étude beaucoup plus détaillée de diverses configurations de cycles de puissance utilisant un mélange ammoniaque-eau ainsi que le développement d'une méthodologie permettant la comparaison de ces différentes configurations. L'étude comprend l'analyse énergetique interne, l'analyse exergétique, l'analyse en dimensions finies et l'analyse des surfaces d'échange de chaleur qui comprend le dimensionnement des échangeurs de chaleur tube et calandre. Une comparaison des différentes analyses appliquées aux configurations des cycles est ensuite réalisée et permet de montrer qu'il est nécessaire de se rendre à l'étude des surfaces d'échange pour le choix des variables de design. Les résultats pour la température de la source a 100°C que le rendement thermique maximal (nth =11,61 %) est obtenue avec le cycle de Kalina KCS34 qui possède un rendement supérieur de seulement 2 pour cent par rapport a celui de Rankine sans régénérateur. La puissance spécifique nette maximale (w =154,5 kJ/kg) s'obtient aussi avec le cycle de Kalina KCS34 qui possède une puissance supérieure de seulement 2,5 pour cent par rapport a celle de Rankine sans régénérateur. De plus, le ratio de la surface totale des échangeurs de chaleur par unité de puissance livrée montre que le cycle de Rankine avec régénérateur et le cycle de Rankine sans régénérateur possèdent tous deux un optimal (0,72 mz/kW), soit d'environ 8% inférieur à celui du cycle de Kalina KCS11. Ces différents résultats montrent que le cycle de Rankine sans régénérateur est légèrement moins performant que les cycles de Kalina; par contre, il offre une performance un peu inférieur à celle des cycles de Kalina, mais il compense par sa simplicité et ses coûts.