Van Long LE thesis defense

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  • Van

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    LE

    Soutenance

    Thse de DoctoratVanduvre-ls-Nancy, le 26/09/2014

    Ecole Doctorale EMMA ED 409Energie Mcanique et Matriaux

    tude de la faisabilit des cycles organiques sous-critiques et supercritiques de Rankine pour la valorisation des rejets thermiques

    2

    01

    4

    Van

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    LE pour la valorisation des rejets thermiques

    Van Long LE

    Directeur de thse: Michel FEIDT

    Co-directeur de thse: Abdelhamid KHEIRI

  • Van

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    LEPlan

    Introduction

    Etat de lart

    Modle thermodynamique

    Mthodologie doptimisation du systme ORC*

    2

    01

    4

    Van

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    LE

    Mthodologie doptimisation du systme ORC*

    Cas dtude

    Conclusions - perspectives

    2Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    * Organic Rankine Cycle

  • Van

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    LECERES-2

    CERES: Chemins Energtiques pour la Rcupration dEnergie dans les Systmes industriels

    Programme ANR: Efficacit nergtique et Rduction des missions de CO2 dans les Systmes Industriels (EESI) 2010Coordinateur du projet: EDF Recherche et DveloppementDbut et dure: 01/2011 42 mois

    2

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    LE

    3Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    LEMTA

  • Van

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    LEContexte

    20 50 % de lapport dnergie gaspill60 % de rejets thermiques < 230 C (450 F)90 % de rejets thermiques < 316 C (600 F)

    (BCS Inc. 2008)

    Source: IEA

    2

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    4Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    (BCS Inc. 2008)Consommation dnergie par secteur (2011)

    Impact environnemental

    Valorisation de rejets thermique Amliorer lefficacit nergtique Diminuer la pollution thermique

    Rarfaction des Ressources ptrolires

    Consommation dnergie par industrie (2011)

  • Van

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    LEValorisation de rejets thermiques

    Cycle traditionnel de Rankine(Cycle vapeur deau)

    Temprature de rejets thermiques

    Haute Moyenne et faible

    2

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    4

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    5Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Cycle organique de Rankine

  • Van

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    LEProblmatiques

    Fluides organiques:

    Scurit, sret

    Stabilit (thermique, chimique)

    Impact environnemental (GWP, ODP)

    2

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    6Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Impact environnemental (GWP, ODP)

    Faible performance thermodynamique: rendement ~ 10 20 %

    Rentabilit conomique

  • Van

    Lo

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    LEContributions

    Objectifs :1. Etude des conditions de faisabilit des cycles organiques

    sous-critiques et supercritiques de Rankine pour la valorisation des rejets thermiques

    2. Optimisation nergtique, exergtique et thermo-conomique

    2

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    LE

    7Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Dmarche :1. tat de lart des cycles organiques de Rankine et leurs fluides

    de travail2. Modlisation et optimisation thermo-conomique des cycles

    ORC en considrant linfluence de la nature du fluide de travail et la configuration du cycle ORC

  • Van

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    LEtat de lart

    Cycles organiques de Rankine Situation de la recherche

    Configurations du cycle ORC

    Applications

    2

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    LE

    Applications

    March

    Fluides de travail Catgories du fluide de travail

    Travaux de recherche

    Procdure de slection

    8Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

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    LE

    1823: M. Hamphrey Davy suggre le cycle ORC comme une alternative la machine vapeur deau

    1824: Travaux de Carnot

    1859: Thorie complte du moteur vapeur deau de Rankine

    1883: Moteur naphta (Frank W. Ofeldt )

    1923-1930: Moteurs de Rankine utilisant Chlorure de Mthyle

    Situation de la recherche

    Source: www.kcorc.org

    Projets R&D en cours (www.kcorc.org)

    2

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    LE Chlorure de Mthyle

    1961 1965: Prototype ORC de 3 kW en 1961 et ltablissement de ORMAT en 1965

    1967: premier cycle binaire gothermique de 680 kW utilisant R12

    1980: Turboden

    1990s: ORMAT Gothermie; TURBODENCognration

    2000 - prsent: Plusieurs fabricants, recherches

    9Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Financement Europen Financements nationaux

    H-REII Demo (2012 2014) Fluid mixtures for ORC (2010-2015)

    LOVE (2011 2014) TRENERGY (2013-2015)

    BRICKER (2013 2017) DryRSP (2013-2017)

    CPV/Rankine (2013 2015) ORC Micro Power Plant (2011-2013)

    NoWaste (2011 2015 ) SCORC (2013-2015)

    Financement priv Two-stage-RO-Rankine (2011-2014)

    MarineORC (2013-2014) ORCNext (2012-2016)

    Sun2Power (2010 2014) CC-PowerTraine (2013-2017)

    Projets R&D en cours (www.kcorc.org)

  • Van

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    LEConfigurations du cycle ORC

    ORC standard

    (a) Configuration sous-critique (b) Configuration supercritique

    2

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    4

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    10Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    ORC avec rcuprateur (IHE)

    (a) Configuration sous-critique (b) Configuration supercritique

    (a) Configuration sous-critique (b) Configuration supercritique

  • Van

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    LEConfigurations du cycle ORC

    ORC rgnratif (avec soutirage) ORC trilatral flash

    2

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    LE

    11Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    ORC rgnratif (avec soutirage) ORC trilatral flash

    Organic Flash CycleORC multi-pression dvaporation

  • Van

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    LEApplications

    Rpartition de puissances installes par applications

    2

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    4

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    12Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    installes par applicationsBiomasse - cognration

    Centrale gothermique

    Centrale solaire thermodynamique Valorisation de rejets thermiques industriels

    Le nombre des installations est le plus important pour des applications biomasseTurboden: 246Adoratec: 22

    (Ho et al. 2012)

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    LEMarch

    2

    01

    4

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    13Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

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    LEFluide de travail du cycle ORC

    Fluide schant Fluide isentropique

    2

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    LE

    14Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    ,

    ,2

    11ds

    dT

    r evap

    r evapvap

    evap evap

    nT

    TCp HT T

    : Fluide schant: Fluide isentropique: Fluide mouillant

    (Liu et al. 2004)

    0 0 0

    Fluide mouillant

  • Van

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    LEFluide de travail du cycle ORC

    Rfrences Fluides tudis

    Chen et al.

    (2010)

    35 candidats du fluide de travail pour

    le cycle sous- et supercritique de

    Rankine

    Hung et al.

    (2010)

    Srie rfrigrants: R11, R12, R113,

    R114, R123, R152a, R500 et R502

    Srie benzne: C6H6, C7H8, C8H10

    Lakew et al.

    (2010)

    R134a, R123, R227ea, R245fa, R290

    et n-pentane

    Mikielewicz

    et

    Ammoniac, perfluorobutane,

    mthanol, thanol, heptane,

    Rfrences Fluides tudis

    Guo et al.

    (2011)

    27 fluides avec les

    tempratures

    dbullition allant de

    -47.7 47.6 C

    Datla et al.

    (2012 )

    Pentane, R245fa,

    R134a, R1234ze,

    R1234yf, R123, DR-

    2, C6FK, Tolune,

    D4, D5

    Gao et al. 18 fluides diffrents

    Rfrences Fluides tudis

    Wang et al.

    (2010)

    M1 (R245fa pur), M2 (R245fa/R152a,

    0.9/0.1), M3 (R245fa/R152a, 0.7/0.3) sont

    exprimentalement tests avec un cycle solaire

    de Rankine basse temprature

    Baik et al.

    (2012 )

    Comparaison de la puissance optimale du

    cycle transcritique de Rankine utilisant les

    mlanges binaires avec le cycle sous-critique

    de Rankine utilisant R134a et R245fa

    Chys et al.

    2012

    Quelques fluides purs souvent utiliss sont

    considrs comme les composs potentiels

    2

    01

    4

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    LE

    Mikielewicz

    (2010)

    isohexane, R11, R12, R123, tolune,

    R152, R134a, R141b, R227, R245ea,

    R245ca, R365mfc, SES36 et eau

    Chen et al.

    (2011)

    Fluides zotropes pour les cycles

    ORC supercritiques

    Fernandez et

    al. (2011)

    Siloxanes (plus prcisment

    polymthylsiloxanes ou huiles de

    silicone) incluant MM, MDM,

    MD2M, D4, D5, et D6

    Guo et al.

    (2011)

    CO2, R170, R41, R125, R218, R143a,

    R32, R115, R1270, R22, R290,

    R134a, R227ea

    15Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    (2012) sont tests

    He et al.

    (2012)

    22 fluides de travail

    du cycle ORC sous-

    critique sont

    examins

    Heberle et

    al. (2012)

    Isobutane/isopentan

    e et R227ea/R245fa

    de diffrentes

    compositions

    Vidhi et al.

    (2013)

    R23, R32, R125,

    R143a, R134a, R218

    et R170 sont tests

    pour crer des mlanges binaires et ternaires.

    La slection de mlange est discute. Les

    concentrations molaires optimales sont

    suggres dans larticle

    Heberle et

    al. (2012)

    Isobutane/isopentane et R227ea/R245fa de

    diffrentes compositions sont utiliss comme

    fluide de travail du cycle sous-critique de

    Rankine

    Dai et al.

    (2013 )

    Les mlanges zotropes du dioxyde de

    carbone avec 7 fluides de bas GWP sont

    utiliss comme fluide de travail du cycle

    transcritique de Rankine

  • Van

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    LEFluide de travail du cycle ORC

    Union EuropenneDirective MAC Rgulation de F-gaz

    2

    01

    4

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    16Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Fluide ODP GWP Tb ASHRAE 34

    Novec 649 0 1 49 N/A

    Novec 774 0 ~1 74 N/A

    Novec 7000 0 370 34 N/A

    R134a 0 1370 -26.1 A1

    Isobutane 0 ~20 -11.7 A3

    n-Pentane 0 ~20 36.1 A3

    R1234ze (E) 0 6 -19 A2L

    R1233zd 0 7 18.3 N/A

    R245fa 0 1030 15.14 A1

    Base de donnes

  • Van

    Lo

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    LEFluide de travail du cycle ORC

    Collecte dinformations sur les fluides candidats

    Premire slection: Toxicit, inflammabilit, stabilit, GWP, ODP, et

    proprits thermo-physiques

    Modlisation du systme avec les fluides

    2

    01

    4

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    17Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Modlisation du systme avec les fluides prslectionns

    Optimisation du systme avec les fluides prslectionns

    Choix finale du fluide

  • Van

    Lo

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    LEModle thermodynamique

    Analyse nergtique Base sur le premier principe de la thermodynamique

    lnergie ne peut tre ni dtruite, ni cre

    Ne distingue pas la quantit et la qualit de lnergie (ex. on ne fait pas la diffrence entre un joule de chaleur dlivr 500 C et un autre fourni 50 C)

    Analyse exergtique

    2

    01

    4

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    LE Analyse exergtique Base sur le deuxime principe de la thermodynamique

    si lnergie se conserve, sa qualit, elle se dgrade

    Cest un complment pour lanalyse nergtique (lanalyse exergtique permet de localiser et dvaluer la cause et limportance de la perte de la ressource nergtique)

    18Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEAnalyse nergtique

    , ,

    , ,

    isp out p inp

    isp out p in

    h h

    h h

    , ,p p out p inwfW m h h

    , ,HPHEX HPHEXh wf wf out wf in h hsi hsoQ m h h m h h

    ,,

    ,,

    t outt intis is

    t outt in

    h h

    h h

    ( )W m h h 75 11.5 pmotor log W

    elecp p motorW W

    2

    01

    4

    Van

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    ng

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    19Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    ,,( )t t outt inwfW m h h

    , ,( ) ( )cond condc c cso csiwf wf in wf outQ m h h m h h

    2

    75 11.5

    1.5

    pmotor

    p

    log W

    log W

    pnet tW W W

    elec elec elecpnet tW W W

    netI hW Q

    elecsys net hW Q

    Systme ORC

    elecgent tW W

  • Van

    Lo

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    LEAnalyse exergtique

    01

    t pnet

    h h

    net

    s

    h

    i h os

    h

    Ex

    W WW

    Ex Ex

    W

    Ex TQ

    T

    0 0 0t pnet

    hsi h hsi

    WHR

    W WW

    Ex m h h T s s

    Rendement exergtique

    Taux de rcupration exergtique

    Rendement au sens du 2me principeSchma de procds

    2

    01

    4

    Van

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    LE

    20Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    1

    netI

    Loren

    h

    h

    z c

    II

    W

    TQ

    T

    Rendement au sens du 2 principe

    cso csic

    cso csi

    h hT

    s s

    hso hsi

    h

    hso hsi

    h hT

    s s

    Temprature moyenne entropique

    Temprature moyenne entropiqueT0 = Tcsi

    Les temprature sont en K Diagramme T-s

    Schma de procds

  • Van

    Lo

    ng

    LEAnalyse exergtique

    Systme ORC , ,, ,0p p out p outp in p inwfEx m h h T s s

    , ,( )p p out p inwfW m h h

    0h h hsi hso hsi hsoEx m h h T s s

    0, , , ,HPHEX HPHEX HPHEX HPHEX HPHEXwf wf wf out wf in wf out wf inEx m h h T s s

    0 , ,HPHEX HPHEXHTHEX wf wf out wf in h hso hsiI T m s s m s s

    HPHEX HPHEXEx wf hEx Ex

    , ,, ,0t t out t outt in t inwfEx m h h T s s

    ,,t t outt inwfW m h h

    , ,0t t out t inwfI T m s s t

    t tEx W Ex

    2

    01

    4

    Van

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    LE

    21Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    0 , ,p op wf ut p inI T m s s p

    p pEx Ex W

    0, , , ,cond cond cond cond condwf wf wf in wf out wf in wf outEx m h h T s s

    0c c cso csocsi csiEx m h h T s s

    0 , ,cond cond c cso csicond wf wf out wf inI T m s s m s s

    cond condcEx wfEx Ex

    tot ii

    I I

    p t c tothEx W W Ex I

    01

    nett p

    h

    h

    h

    Ex

    W W

    E Tx

    W

    QT

    t p hsiWHR W W Ex

    1

    net

    ch

    h

    II

    W

    TQ

    T

  • Van

    Lo

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    LEOptimisation

    Transfert thermique & chute de pression

    changeur tubes et calandre

    Corrlations pour transfert de chaleur et chute de pression

    2

    01

    4

    Van

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    ng

    LE pression

    Modle conomique

    Cot dinvestissement

    Cot dexploitation

    Mthode doptimisation

    22Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

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    LETransfert thermique & chute de pression

    changeur tubes et calandre Gomtrie simple de lchangeur

    2

    01

    4

    Van

    Lo

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    LE

    23Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Types standards de calandre selon TEMA

    chicane coupe unique de lchangeur de chaleur tubes et calandre

    Gomtrie simple de lchangeur tubes et calandre

  • Van

    Lo

    ng

    LETransfert thermique & chute de pression

    lmQ UAF T o o tA A d LN

    1

    ,

    ,

    ln / 1

    2

    f i o o o iOf o

    i i i o

    R d d d ddU R

    d d k

    , , , ,

    , , , ,ln /

    h out c in h in c out

    lm

    h out c in h in c out

    T T T TT

    T T T T

    Facteur de correction DTLM*

    Mthode DTLM*tpwf

    t ti

    m NN

    S V

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    24Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Facteur de correction DTLM*

    s sin out

    t tout in

    T TR

    T T

    t tout in

    s tin in

    T TP

    T T

    (1/ )1

    1

    NRP

    P

    1S

    R

    2

    2

    2

    11

    1

    2 ( 1 1)( 1)

    2 ( 1 1)

    SR ln

    RSF

    S R RR ln

    S R R

    ( 1)

    PS

    N N P

    2

    2 (2 2)(1 )

    2 (2 2)

    SF

    SS ln

    S

    R 1 R = 1

    *Diffrence de temprature logarithmique moyenne

  • Van

    Lo

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    LETransfert thermique & chute de pression

    0.6s id C L B R S idJ J J J J

    0.142/3

    s s sid i s w

    s s s s

    m kj Cp

    A Cp

    Mthode de Bell-Delaware

    21.33

    a

    aj a Re

    3

    a

    aa

    2 ( 1)

    2s b s

    s

    e s

    fG N Dp

    D

    0.14( / )ws s s

    1bL

    NB

    [0.576 0.19 ( )]sf exp ln Re

    2 24( / 4)T oe

    o

    P dD

    d

    ss

    T

    D CBA

    P

    Coefficient de transfert de chaleur

    Chute de pression (Mthode de Kern)Ct calandre

    20.785

    ts T

    N CLD P

    CTP

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    25Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    211.33

    /i s

    T o

    j a ReP d

    41 0.14( )asa

    Re

    Angle dagencement

    des tubes Re a1 a2 a3 a4

    90

    105-104 0.370 -0.395 1.187 0.370

    104-103 0.107 -0.266

    103-102 0.408 -0.460

    102-10 0.900 -0.631

    10 0.970 -0.667 Disposition des tubes

    Constantes pour le calcul du coefficient dchange thermique ct calandre

  • Van

    Lo

    ng

    LETransfert thermique & chute de pression

    0.5

    2/3

    / 8 1000

    1 12.7 / 8 1

    f Re PrNu

    f Pr

    Nu k D

    Ct tubes (zone monophasique)

    Coefficient de transfert thermique

    Chute de pression

    Ct tubes (zone diphasique ou bien supercritique)

    qflux = const

    coulement

    L(Gnielinski 1976)

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    26Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    2[0.790 ( ) 1.64]f ln Re

    2

    2tp

    L VP f N

    D

    2

    ( 4 )2

    tp t

    tube p

    LN VP f N

    D

    2

    42

    tr p

    VP N

    dQ const

    xi+1xi

    Transferts de chaleur de lcoulement diphasique et en pression supercritique vaporation: Gungor-Winterton (1987) Condensation: Shah (2009) Supercritique: Jackson (2002)

    dLi

  • Van

    Lo

    ng

    LETransfert thermique & chute de pression

    Evaporation: corrlation de Gungor-Winterton (1987)TP lE

    0.410.75

    0.861 3000 1.121

    l

    v

    xE Bo

    x

    0.8 0.4Pr

    0.023 1l

    l

    l

    kDG x

    D

    Condensation: corrlation de Shah (2009)

    1

    1 1 exp oIC glidel vap l

    B qF T

    q H

    0.410.75

    0.861 3000 1.12

    1l

    c

    v

    xE BoF

    x

    0.0058 0.5573.8

    1rp

    l

    Fluide pure

    Fluide zotrope

    Rgime I

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    27Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    TP I

    TP I Nu

    0.95

    3.81

    14l

    I LS

    vZ

    1/33

    1/3

    21.32Re l l v lNu LS

    l

    g k

    0.8 0.4

    0.023 R Pe r lLS LS lk

    D

    1 1 V

    mix mono VS

    Y

    Fluide

    pure

    Fluide zotrope

    Rgime II

    0

    0.3

    0 .5.82 P0 r.0183Re

    n

    pwb b

    b pb

    CNu

    C

    w bp

    w b

    h hC

    T T

    Pression supercritique: corrlation de Jackson (2002)

    kNu

    D

  • Van

    Lo

    ng

    LETransfert thermique & chute de pression

    2 2 2 2(1 ) (1 )

    (1 ) (1 )mom

    l v l vout in

    x x x xP G

    10.25

    0.5

    1.18 111 0.12 1

    l v

    v v l l

    x gx x xx

    G

    2 1 1Pmomout in

    G

    2

    2frict

    L VP f

    D

    2

    10

    1

    (1.82 1.64)f

    log Re

    coulement diphasique

    coulement en pression supercritique

    Chute de pression dynamique

    Chute de pression dynamique

    Chute de pression par frottement

    Chute de pression

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    28Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    v v l l

    0

    z

    frict

    dpP dz

    dz

    1/3 3(1 )frict

    dpx bx

    dz

    2( )a b a x

    22l

    lo i l

    dp Ga f

    dz d

    22v

    vo i v

    dp Gb f

    dz d

    Chute de pression par frottementB, PT, V, Ntp, Nsp

    A, P

    P Pmax

    A, P

  • Van

    Lo

    ng

    LEModle conomique

    Quel est le montant de linvestissement pour mettre en place une installation de valorisation des rejets thermiques par un cycle ORC?

    Quels sont les cots dexploitation dune

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    29Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Quels sont les cots dexploitation dune installation de valorisation des rejets thermiques?

    Evaluer la rentabilit conomique de linstallation?

    Effectuer loptimisation thermoconomique de linstallation

  • Van

    Lo

    ng

    LEModle conomique

    Cot dinvestissement

    Somme des cots nus des quipements de linstallation, CTBM

    Cot de prparation du site, Csite Csite = 0.05CTBM

    Cot des facilits des services, Cserv Cserv = 0.05CTBM

    Cots attribus pour les centres dutilit et des installations connexes Calloc

    Investissement permanent direct, CDPI CDPI = CTBM + Csite + Cserv + Calloc

    Cots des ventualits et frais de lentrepreneur, Ccont Ccont = 0.18CDPI

    Capital amortissable total, CTDC CTDC = CDPI + Ccont

    Cot du terrain, C C = 0

    TBM BM spare wfC C C C

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    30Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    0BM p BMC C F

    0 210 1 2 10 3 10( ) [ ( )]plog C K K log A K log A

    1 2BM M PF B B F F

    210 1 2 10 3 10( )plog F C C log P C log P

    Cot nu dquipement (Turton 2009)

    * Chemical Engineering Plant Cost Index

    CEPCI*CEPCI2001 = 397CEPCI2012 = 584.6

    20122012

    20012001

    BM

    BM

    CEPCIC

    CEPCIC

    Variation de lindice des cots des quipements

    Cot du terrain, Cland Cland = 0

    Cot des redevances, Croyal Croyal = 0

    Cot de dmarrage de linstallation, Cstartup Cstartup = 0.1CTDC

    Investissement permanent total, CTPI CTPI = CTDC + Cland + Croyal + Cstartup

    Fond de roulement, CWC CWC = 0

    Investissement total, CTCI CTCI = CWC + CTPI

  • Van

    Lo

    ng

    LEModle conomique

    Cot dexploitation

    Cots Elments Formule

    1. Cots directs Cots directs de production CDMC

    Utilits Eau de refroidissement 14.8$ /1000m3

    Maintenance Rmunrations et avantages sociaux CWB = 0.035CTDC

    Salaires et avantages sociaux CSB = 0.25CWB

    Matriaux et services CMS = CWB

    Frais gnraux dentretien CMO = 0.05CWB

    2. Cots fixes Cots fixes de production CFix

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    31Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    gross annual TPCProfit S C

    (1 )net corp grossProfit t Profit

    PrROI net

    TCI

    ofit

    C

    PBPcash flow (1 )( )

    TDC TDC

    annual TPC D

    C C

    t S C C

    1

    1

    1LCOE

    1

    nTPC

    TCI tt

    nel

    tt

    CC

    IR

    M

    IR

    Mesures de rentabilit

    Cot moyen actualis de llectricit, LCOE (Konstantin 2009)

    2. Cots fixes Cots fixes de production CFix

    Taxes foncires et assurance Cot de limpt foncier et de lassurance de responsabilit CPI = 0.02CTDC

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisations et contraintes

    Mthode doptimisation(EES)

    Mthode du gradient conjugu

    Mthode de quasi-Newton

    Mthode de Nelder-Mead

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE Mthode de Nelder-Mead

    Algorithme DIRECT

    Mthode Gntique

    32Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LECas dtude

    Centrale ORC sous-critique

    Centrale ORC supercritique

    Rendement isentropique de la pompe et de la turbine, (%) 80

    hm

    Donnes pour loptimisation

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    33Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Rendement isentropique de la pompe et de la turbine, is (%) 80

    Rendement du gnrateur lectrique, gen (%) 95

    Fluide de la source thermique et du puits froid Eau

    Temprature entrante de la source thermique, Thsi (C) 150

    Temprature entrante du puits froid, Tcsi (C) 20

    Pression de la source thermique, Phsi (bar) 5

    Pression entrante du puits froid, Pcsi (bar) 2

    Dbit massique de la source thermique, (kg/s) 50

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC sous-critique

    hm

    Fonctions objectivesRendement exergtiqueLCOE

    Eau chaude pressurise (5 bars)Thsi = 150 C; 50 (kg/s)hm

    95%gen

    80%is

    80%is

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    34Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Eau froide (2 bars)Tcsi = 20 C

    Fonction objectif :Rendement exergtiqueCot moyen actualis de llectricit (LCOE)

    Contrainte:

    Dure de vie: 20 ans

    , 1t outx

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC sous-critique

    Maxi. du rendement exergtique

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    35Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC sous-critique

    Minimisation du LCOE

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    36Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC supercritique

    Eau chaude pressurise (5 bars)Thsi = 150 C; 50 (kg/s)hm

    95%gen

    80%is

    80%is

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    37Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

    Eau froide (2 bars)Tcsi = 20 C

    Fonction objectif:Rendement exergtiqueLCOE

    Contrainte:

    Dure de vie: 20 ans

    , 1t outx

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC supercritique

    Maxi. du rendement exergtique

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    38Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEOptimisation dORC supercritique

    Minimisation du LCOE

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    39Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEConclusions

    tat de lart des cycles ORC et de leurs fluides de travail

    Modle danalyse nergtique et exergtique des systmes ORC de diffrentes configurations

    Modle pour le transfert de chaleur et chute de pression dans un changeur tubes et calandre avec

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    pression dans un changeur tubes et calandre avec fluide pure ou zotrope en pression sous-critique ou supercritique

    Modle conomique pour loptimisation des centrales de valorisation des rejets thermiques utilisant un ORC sous-critique ou supercritique

    Livrable projet ANR CERES-2

    40Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEPerspectives

    Validation des corrlations utilises:

    Pour les transferts de chaleur et les pertes de charge

    Pour les cots des composants

    Prendre en compte des autres variables (rendement de la turbine, la gomtrie de lchangeur) pour

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    de la turbine, la gomtrie de lchangeur) pour loptimisation

    Optimisation multicritres et/ou en rgime transitoire

    41Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LEPublications communications

    Journal articlesV. L. Le, M. Feidt, A. Kheiri, S. Pelloux-Prayer, Performance optimization of low-temperature power generation by supercritical ORCs (organic Rankine cycles) using low GWP (global warming potential) working fluids. Energy. 2014; 67:513-526

    M. Feidt, A. Kheiri, V. L. Le, Analyse exergtique d'un Cycle Organique de Rankine (COR) sous-critique pour rcuprer les chaleurs perdues basse temprature. Termotechnica; 2012(1): 12-17

    Paper in progressV. L. Le, A. Kheiri, M. Feidt, S. Pelloux-Prayer, Thermodynamic et economic optimizations of a waste heat to power plant driven by a subcritical ORC (Organic Rankine Cycle) using pure or zeotropic working fluid. 2014 (en cours de rvision)

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE

    Conference papersA. Zoughaib, M. Feidt, S. Pelloux-Prayer, F. Thibault, V. L. Le, Chemins nergtiques pour la rcupration dnergies (CERES), Congrs Franais de Thermique, Lyon, France 2014

    V. L. Le, M. Feidt, Kheiri A., Jumel S., Optimisation de la puissance du cycle organique de Rankine pour le cas supercritique en considrant le cycle endorversible, Congrs Franais de Thermique, Gradmer, France 2013

    S. Jumel, V. L. Le, M. Feidt, A. Kheiri, Working fluid selection and performance comparison of subcritical and supercritical Organic Rankine Cycle (ORC) for low-temperature waste heat recovery. ECEEE Industrial Summer Study. Arnhem, Netherlands2012

    M. Feidt, A. Kheiri, V. L. Le, Analyse exergtique d'un Cycle Organique de Rankine (COR) sous-critique pour rcuprer les chaleurs perdues basse temprature, Colloque Francophone sur lEnergie Environnement Economie et Thermodynamique (COFRET12), Sozopol, Bulgaria 2012

    42Introduction Etat de lart Modle Optimisation Cas dtude Conclusions

  • Van

    Lo

    ng

    LE

    Soutenance

    Thse de DoctoratVanduvre-ls-Nancy, le 26/09/2014

    Ecole Doctorale EMMA ED 409Energie Mcanique et Matriaux

    Merci de votre attention!

    2

    01

    4

    Van

    Lo

    ng

    LE Merci de votre attention!Questions?