Maximizing power output of heat engines through design optimization : Geothermal power plants and novel exhaust heat recovery systems

Auteur(s): Chagnon-Lessard, Noémie
Direction de recherche: Gosselin, LouisMathieu-Potvin, François
Résumé: Le design de machines thermiques menant à une puissance maximale dépend souvent des températures de la source chaude et de la source froide. C’est pourquoi dégager des lignes directrices à partir des designs optimaux de ces machines selon diverses températures d’opération peut faciliter leur conception. Une telle étude est proposée par cette thèse pour deux types de systèmes thermiques. En premier lieu, le cycle de Rankine organique (ORC) est un cycle thermodynamique de puissance utilisé entre autres dans les centrales géothermiques exploitant des réservoirs à basse température. Depuis quelques années, ce type de centrales suscite un vif intérêt à travers le monde, étant un des modes de production de puissance parmi les plus respectueux de l’environnement. Il s’agit de pomper un géofluide du sol pour transférer sa chaleur à un fluide de travail qui opère en cycle fermé, et de le réinjecter ensuite dans le bassin géologique. Les chercheurs tentent actuellement de mieux caractériser le potentiel géothermique de divers environnements géologiques. Le sous-sol du Québec est relativement froid, alors des études essaient de déterminer s’il serait possible d’y exploiter de manière rentable des centrales géothermiques. Une autre question de recherche importante est de savoir, pour un contexte donné, quel est le design optimal d’une centrale géothermique et quelle est la puissance que l’on peut espérer produire. Pour répondre à cette question, les cycles de Rankine organiques de base (de type souscritique ou transcritique) sont dans un premier temps simulés et optimisés pour des températures du géofluide de 80 à 180°C et pour des températures de condensation du fluide de travail de 0.1 à 50°C. Trente-six (36) fluides pures sont investigués pour toutes les combinaisons de températures. Par la suite, des cycles de Rankine organiques plus avancés sont aussi investigués (ajout d’une tour de refroidissement, d’un système de récupération, et d’une contrainte sur la température de réinjection du géofluide). Les ORCs avec deux pressions de chauffage souscritique et transcritique sont aussi simulés et optimisés. Les optimisations sont faites pour 20 fluides de travail selon la même plage de température du géofluide et selon des températures du thermomètre mouillé de l’air ambient de 10 à 32°C. En second lieu, le cycle de Brayton inversé (IBC) est un cycle thermodynamique qui pourrait être utilisé comme système de récupération de la chaleur perdue dans les gaz d’échappement de moteurs. Il s’agit d’un cycle ouvert comprenant dans sa configuration de base une turbine à gaz, un échangeur de chaleur et un compresseur. Il existe une configuration où l’eau qui se condense lors du refroidissement des gaz est évacuée avant le compresseur pour réduire le débit massique et améliorer le rendement global du système. Le Powertrain and Vehicle Research Centre (PVRC) de l’University of Bath s’est intéressé à savoir si certaines variantes de l’IBC découlant de cette configuration seraient des options viables. Ces variantes ont mené à la création de trois nouveaux cycles thermodynamiques couplant l’IBC avec (i) une turbine à vapeur, (ii) un cycle de réfrigération, et (iii) ces deux ajouts. En comptant les deux cycles déjà existants décrits au paragraphe précédent, cinq configurations de l’IBC sont simulées et optimisées pour des températures de gaz d’échappement de 600 à 1200 K et températures de la source froide de 280 à 340 K. La finalité de cette thèse est d’offrir un outil aidant les ingénieurs à concevoir les systèmes introduits précédemment (ORC et IBC) de sorte qu’ils aient un travail spécifique net maximisé. Sous forme d’un ensemble de diagrammes, cet outil peut ainsi être utilisé pour une large plage de température de la source chaude (géofluide ou gaz d’échappement) et de température de la source froide.
Type de document: Thèse de doctorat
Date de publication: 2020
Date de la mise en libre accès: 13 mars 2020
Lien permanent: http://hdl.handle.net/20.500.11794/38297
Université décernant le diplôme: Université Laval
Collection :Thèses et mémoires

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