Nouvelle génération de transformateurs de chaleur, sélection de fluides de travail et optimisation des équipements du cycle en employant des technologies innovantes

New generation of Absorption Heat Transformers, selection of suitable fluid mixtures and optimization of the cycle’s components using innovative technologies

• Auteur / Autrice : Rami Khadra
• Direction : Didier Mayer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Jury : Président / Présidente : Khalil El Khoury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Mayer, Khalil El Khoury, Pierre Neveu, Vincent Gerbaud, Kevin Cronin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Neveu, Vincent Gerbaud, Kevin Cronin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Innovation

Énergie -- Conversion directe

Mots clés libres

Transformateur de chaleur à absorption

Colonne de distillation

Absorbeur

Colonne à bulle

Colonne à garnissage

Nouvelles paires de fluides organiques

Absorption heat transformer

Distillation column

Absorber

Bubble column

Packing column

New organic binary working fluid

Résumé

Ce travail contribue aux efforts de l'Union Européenne pour réduire les émissions de CO2. Son objectif est d'aider les industries produisant de la chaleur fatale à récupérer cette énergie perdue, d'augmenter sa température et de la réutiliser in situ. Les transformateurs de chaleur (Absorption Heat Transformers ou AHT), machines à absorption consommant très peu d'électricité, sont alors ici étudiés. Les AHTs existants rencontrent des problèmes comme la corrosion, la cristallisation, la toxicité et les niveaux de pression éloignés de la pression atmosphérique. Ceux-ci sont causés par les fluides conventionnels (Eau/LiBr et Ammoniaque/Eau) et s'aggravent à des températures supérieures à 120°C. Des modèles de conception ainsi que des solutions techniques, applicables avec tous mélanges de fluides organiques, sont alors proposés dans cette thèse. Ces modèles sont validés avec des données de la littérature et implémentés dans des outils d'aide à la décision.Tout d'abord, un modèle de sélection de paires de fluides organiques (parmi une liste de fluides) est développé. Les contraintes prises en compte sont, entre autres, les types et les profils de températures des sources et puits de chaleur, et les propriétés du fluide. Pour chaque type de fluide, la méthode la plus adaptée au calcul des propriétés physiques des fluides est choisie.En second lieu, pour effectuer la séparation des 2 constituants du mélange de fluides organiques, le générateur (composant recevant la chaleur fatale) et le condenseur de l'AHT sont fusionnés pour former une colonne de distillation. Un modèle d'une colonne de distillation nommée « hybride » est alors développé en adaptant la méthode de Ponchon-Savarit et en la combinant avec la méthode ETD (Equal Thermodynamic Distance). Cette colonne associe les avantages des 2 types de colonnes adiabatiques et diabatiques. Elle allie réduction de production d'entropie et meilleure exploitation des sources de chaleur à températures glissantes. La conception mécanique de la colonne hybride est aussi incluse.Troisièmement, pour atteindre la température théorique maximale du mélange de fluide déjà choisi, l'absorbeur de l'AHT (où la chaleur à haute température est libérée) est divisé en sections adiabatiques suivies par des sections diabatiques. De plus, les modèles détaillés des colonnes à bulles (fonctionnant en co-courant ou en contre-courant) ainsi que de la colonne à garnissage sont présentés et comparés entre eux.Les principaux résultats de ces travaux consistent en une nouvelle méthodologie de choix de fluides organiques pouvant remplacer les mélanges classiques surtout à températures élevées (supérieures à 130 °C). En ce qui concerne la colonne de distillation, il est montré que la colonne adiabatique constitue un meilleur choix lorsqu'une source de chaleur latente est disponible tandis qu'avec une source de chaleur sensible, la colonne hybride engendre moins de pertes exergétiques. En passant à l'absorbeur, le nouveau mode d'opération de celui-ci permet à l'utilisateur d'atteindre des températures plus élevées que celles réalisées avec les technologies actuellement disponibles. Enfin, les modèles développés permettent de choisir les technologies de distillation (adiabatique, diabatique ou hybride) et d'absorption (colonne à bulles ou à garnissage) les plus appropriées en s'adaptant à différentes problématiques industrielles.

This work is part of the European union efforts to reduce its CO2 emissions. It aims to assist any waste heat producing industry in recuperating this lost thermal energy, pumping it to higher temperature levels and reusing it on site. Absorption Heat Transformers (AHT), that consume little electricity, are used for this task. Current AHT problems such as corrosion, crystallization, toxicity and inconvenient pressure levels are caused by conventionally used H2O/LiBr and NH3/ H2O working fluids and get worse at temperatures exceeding 120°C. Potential solutions are thus suggested. According to them, models are developed; they are all able to operate with any organic mixture and are customized to accompany the industrialist from start to finish. These solutions were validated by comparing them with literature data and are implemented into several tools.Firstly, a model selects the optimal organic binary mixture -among a list of fluids- in terms of the real case application's constraints: Heat transfer fluids used, Heat source's and heat sink's types and temperature profiles, mixtures transport properties among other parameters. Suitable thermodynamic model is selected for different fluid group types.Secondly, in order to separate the 2 components of the chosen mixture of organic compounds, the AHT generator (component which receives waste heat) is merged with the AHT condenser thus forming a distillation column. A “hybrid column” is designed by modifying the Ponchon-Savarit method and combining it with the Equal Thermodynamic Distance (ETD) method. This new column associates the best features of the two columns. It reduces entropy production rates and best exploits temperature gliding heat sources. Mechanical design for the hybrid column is also included.Thirdly, to ensure that the maximum theoretical temperature of the working fluid is reached, the AHT absorber (where high temperature heat is released) is divided into consecutive adiabatic parts followed by diabatic ones. Detailed Models for co-current and counter-current bubble columns as well as packing columns are presented and compared.Main results consist in a selection methodology of organic compounds mixtures, capable of replacing conventional ones specially at temperatures higher than 130 °C. It's also shown that adiabatic columns are better options when latent type heat sources are available while hybrid columns lose less exergy when used with sensible heat sources. As for the absorber, the new operating mode provides the user with higher temperatures than currently reached by available technologies. Finally, using the developed models, tailored and most suitable distillation (adiabatic, diabatic or hybrid columns) and absorber (bubble or packing columns) technologies can be proposed depending on the industrial specific cases and requirements.