Investigation of the supercritical CO2 cycle : mapping of the thermodynamic potential for different applications; further understanding of the physical processes, in particular through simulations and analysis of experimental data

par Hong Son Pham

Thèse de doctorat en Sciences de l' environnement

Sous la direction de Jean-Henry Ferrasse et de Olivier Boutin.

Soutenue le 06-10-2015

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement (Marseille) .

Le président du jury était Jean-Pierre Bedecarrats.

Les rapporteurs étaient Christophe Corre, Nicolas Tauveron.

  • Titre traduit

    Recherche sur le cycle CO2 supercritique : cartographie du potentiel thermodynamic selon differentes études ; déductions des procédés physiques lors des simulations et analyses des données expérimentales


  • Résumé

    Cette thèse évalue d'abord le potentiel thermodynamique du cycle au CO2 supercritique (sc-CO2) pour une large gamme de température de source chaude et étudie son couplage aux applications nucléaires, 45.7% d’efficacité thermique étant obtenu pour un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. Des simulations CFD sont réalisées sur un compresseur à échelle réduite et confrontées à une expérience, apportant des éléments de qualification. Des simulations sur un compresseur à échelle 1:1 révèlent des particularités liées à la compression du sc-CO2 au comportement gaz réel, offrant un retour d’expérience pour la conception. Dans ce cadre, une approche de cartes de performance est proposée et validée à l'aide de simulations. Enfin, une étude de la collapse d’une bulle dans le CO2 liquide au voisinage du point critique est réalisée et indique l'absence d’effet destructif de cavitation, ouvrant la voie au fonctionnement du compresseur en phase liquide, lieu optimum de l'efficacité du cycle.


  • Résumé

    This study first evaluates the thermodynamic performance of the supercritical CO2 (sc-CO2) cycle in a large range of heat source temperature, with a focus on the nuclear applications; a thermal efficiency of 45.7% is reported for a Sodium-cooled Fast Reactor. Second, CFD simulations have been performed on a small scale sc-CO2 compressor and results have been confronted positively with the experimental data. Simulation results on a real scale compressor have then revealed some particularities during the compression of a real fluid, providing feedbacks for the component design. In addition, a reliable performance maps approach has been proposed for the sc-CO2 compressor and validated using the CFD results. Finally, an investigation of bubble collapse in the liquid CO2 near the critical point has disclosed the likely absence of detrimental effects. As such, risks of cavitation damage should be low, favoring the compressor operation in the liquid region for cycle efficiency improvement.


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