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Other titre : Analyse et optimisation d'un cycle organique de Rankine intégré avec un éjecteur monophasé

dc.contributor.advisorSorin, Mikhail
dc.contributor.authorHaghparast, Payamfr
dc.date.accessioned2019-02-06T15:32:08Z
dc.date.available2019-02-06T15:32:08Z
dc.date.created2019fr
dc.date.issued2019-02-06
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/14939
dc.description.abstractL’intérêt pour la récupération de chaleur à faible temperature a augmenté au cours des dix dernières années en raison de la préoccupation croissante face à la pénurie d'énergie et au réchauffement climatique. Etant donné que les cycles de production de vapeur classiques ne permettaient pas souvent de récupérer efficacement de la chaleur perdue de faible qualité, de nombreuses solutions nouvelles ont été suggérées afin de produire de l’électricité à partir des sources de chaleur à basse température, telles que le biogaz, la géothermie, le solaire, les gaz d'échappement, etc. Parmi ceux-ci, les cycles de Rankine organiques (ORC) semblent être les procédés les plus prometteurs et les plus largement appliqués. Dans un tel système, le fluide de travail est un composant organique, mieux adapté que l'eau pour les faibles températures de source de chaleur. Contrairement aux cycles de puissance traditionnels, cette technologie permet aussi de générer de l'électricité à petite échelle. D'autre part, la faible efficacité du cycle de Rankine organique (ORC) avec une source de chaleur de faible teneur (LGHS) a limité son utilisation dans l'industrie. Afin d'augmenter la capacité et la performance de la puissance de sortie, une nouvelle structure du cycle de Rankine organique intégré à un éjecteur (EORC) a été proposée dans le cadre de ce projet. Les éjecteurs sont des dispositifs simples dans lesquels l’énergie d’un flux est utilisée pour entraîner et augmenter la pression d’un flux secondaire par mélange direct. Ils sont utilisés en raison de leur fonctionnement simple, de leur faible entretien et de l’absence de pièces mobiles. Étant donné que l'impact des caractéristiques de fonctionnement de l'éjecteur et de sa géométrie est important pour optimiser la conception d'un système EROC, trois documents publiés ont examiné en détail l'amélioration des performances de l'éjecteur. Dans un premier lieu, un modèle 1D d'éjecteur complet a été préparé en considérant la meilleure hypothèse de choc normal et le choix de l'efficacité locale qui constituent deux des plus grandes sources d'erreur dans les modèles 1D. Un grand nombre de simulations CFD ont été effectuées. Les résultats ont été validés et comparés avec d’autres modèles 1D et des données expérimentales, dans le but d’analyser les flux d'exergie interne d’un éjecteur et pour extraire les valeurs des efficacités isentropiques, polytropiques, une contre-pression critique et un rapport d'entraînement. Des études numériques et expérimentales sur les éjecteurs ont révélé que le remplacement des efficacités isentropiques par des efficacités polytropiques dans les modèles d'éjecteurs 1D fournit des résultats plus précis. Les rendements polytropiques permettent d’accéder plus précisément aux effets de la variation du rapport de pression sur les irréversibilités des processus d’accélération et de décélération. Il a été démontré que la déviation de la longueur de conduit à surface constante, calculée en utilisant un rendement isentropique par rapport à la longueur réelle, est trois fois supérieure à celle calculée en utilisant un rendement polytropique. De plus, des résultats expérimentaux ont montré que les meilleures performances de l'éjecteur et par conséquent du cycle étaient atteintes pour le rapport de pression maximal au point critique de la température du condenseur. A cette condition, les pertes d'exergie interne de l'éjecteur sont minimes selon les études numériques effectuées. Enfin, après une étude approfondie sur le comportement des éjecteurs, dans la quatrième publication, un éjecteur approprié (fonctionnant en régime de double étranglement) est utilisé pour améliorer les performances du EORC. Il a été démontré qu'une augmentation du rapport de la surface de l'éjecteur, du débit massique secondaire ainsi qu'une diminution du diamètre de la gorge et des propriétés de l'éjecteur d'entrée ont des effets significatifs sur l'augmentation de la puissance nette. En outre, il a été constaté que la production d'électricité est indépendante des paramètres de sortie de l’éjecteur en mode On-Design.fr
dc.description.abstractAbstract: The interest for low grade heat recovery has been growing for the last ten years because of the increasing concern over energy shortage and global warming. Since conventional steam power cycles cannot give a good performance to recover low grade waste heat, a large number of new solutions have been suggested to produce electricity from low-temperature heat sources such as biological waste heat, geothermal heat, solar thermal power, engine exhaust gases, domestic boilers, etc. Among them, the Organic Rankine Cycle (ORC) system seems to be the most promising process and it is the most widely applied. In such a system, the working fluid is an organic component, better adapted than water to lower heat source temperatures. Unlike traditional power cycles, local and small-scale power generation is made possible by this technology. On the other hand, the low efficiency of the Organic Rankine Cycle (ORC) with a low-grade heat source (LGHS) has limited its use in the industry. In order to increase the power output capacity and its performance, a new structure of the Organic Rankine Cycle integrated with Ejector (EORC) is proposed in this project. Ejectors are simple devices in which the energy of a flow is used to entrain and enhance the pressure of a secondary stream by direct mixing. They are used due to their simple operation, low maintenance requirements and lack of moving parts. Since the impact of ejector working characteristics and its geometry are important to optimize the design of an EROC system, three published papers have investigated in detail the improvement of ejector performance. In the first step, a comprehensive ejector 1D model is prepared by considering the best normal shock assumption and the selection of the efficiencies that are two of the greatest sources of error in the 1D models. A large number of CFD simulations have been performed for validating and comparing with 1D models and experimental data, for ejector internal exergy analysis, and to extract ejector isentropic and polytropic efficiencies, critical back pressure and entrainment ratio. Numerical and experimental investigations on the ejectors have revealed that the replacement of isentropic efficiencies with polytropic efficiencies within 1D ejector models provides more accurate results. Polytropic efficiencies access more precisely the effects of the pressure ratio variation on the irreversibilities of the acceleration and deceleration processes. It is demonstrated that the deviation in the constant area duct length, calculated by using an isentropic efficiency from the real length is three times greater than the one calculated by using a polytropic efficiency. Furthermore, from experimental results, it is found that the best performance of the ejector and consequently the cycle were achieved for the maximum pressure ratio at the critical condenser temperature point. At this condition, ejector internal exergy losses are minimal according to the carried out numerical studies. Finally, after a comprehensive study on the ejector behavior, in the fourth journal publication, an appropriate ejector (working in the double-choking regime) is employed to enhance the EORC performance. It is shown that a rise in the ejector area ratio, secondary mass flow rate as well as decreasing the throat diameter and inlet ejector properties have significant effects on increasing the net power output. It is further found that power output capacity is independent of the ejector outlet parameters in the on-design mode.fr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Payam Haghparastfr
dc.subjectCycle organique de Rankinefr
dc.subjectÉjecteurfr
dc.subjectModèle thermodynamiquefr
dc.subjectModèle CFDfr
dc.subjectÉtude expérimentalefr
dc.subjectEfficacité polytropiquefr
dc.subjectDimensions de l'éjecteurfr
dc.subjectOptimisationfr
dc.subjectOptimizationfr
dc.subjectOrganic Rankine Cyclefr
dc.subjectEjectorfr
dc.subjectThermodynamic modelfr
dc.subjectCFD modelfr
dc.subjectExperimental studyfr
dc.subjectPolytropic efficiencyfr
dc.subjectEjector dimensionsfr
dc.subjectPower generationfr
dc.titleAnalysis and optimization of an Organic Rankine Cycle integrated with one-phase ejectorfr
dc.title.alternativeAnalyse et optimisation d'un cycle organique de Rankine intégré avec un éjecteur monophaséfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie mécaniquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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