Etude d'un système réversible climatisation/cycle Rankine organique : application au cas du véhicule terrestre

Study of a reversible air conditioning/ organic Rankine cycle system : application to light-duty vehicles

• Auteur / Autrice : Luca Di Cairano
• Direction : Chakib Bouallou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétiques et procédés
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lemort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chakib Bouallou, Rémi Revellin, Wissam Bou Nader, Maroun Nemer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort, Lavinia Grosu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle de Rankine

Automobiles -- Climatisation

Thermodynamique

Chaleur -- Récupération

Mots clés libres

Récupération de chaleur

Cycle Rankine Organique

Climatisation automobile

Compresseur

Turbine

Éjecteur

Waste heat recovery

Organic Rankine Cycle

Automotive air conditioning

Compressor

Expander

Ejector

Résumé

La récupération de chaleur dans les véhicules est une solution prometteuse permettant de réduire la consommation du moteur et de ses émissions. Les fortes contraintes de poids, compacité et coût présentes dans le domaine automobile empêchent l’intégration d’un système de récupération de chaleur dans le véhicule. Une solution proposée dans ce travail consiste en un système de multi-génération appelé ReverCycle. Ce dernier fonctionne avec trois modes: climatisation à compression de vapeur, cycle de Rankine Organique (ORC) et cycle de réfrigération à éjecteur. Le système peut assurer un seul mode de fonctionnement à la fois. Les avantages du système sont sa compacité et son coût réduit étant donné la possibilité d’exploiter les composants du système de climatisation déjà présents dans le véhicule. En effet, le compresseur scroll de la climatisation peut être converti en machine réversible compresseur/turbine et le condenseur peut être mutualisé pour les trois modes de fonctionnement. Une double démarche de modélisation et d’expérimentation a été menée pour évaluer le potentiel de réduction de la consommation de ReverCycle et pour vérifier sa faisabilité technique. Un modèle global du véhicule a été développé pour reproduire les conditions de fonctionnement dynamique du véhicule et pour décrire l’interaction entre ses différents sous-systèmes. Le modèle a ensuite permis de calculer le gain en consommation moyenné sur une année pour différentes régions climatiques. Deux différentes architectures de véhicules ont été étudiées : un véhicule conventionnel et un véhicule hybride série. Pour un véhicule conventionnel, le gain en consommation maximal est obtenu dans un climat océanique (e.g. Paris) avec une valeur de 2,1% avec un démarrage à chaud du moteur et 1,3% avec un démarrage à froid. Le cycle de conduite de référence pour l’évaluation du gain est le cycle WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles). Dans le cas du véhicule hybride série, le gain en consommation maximal est obtenu dans un climat continental (e.g. Moscou) avec une valeur de 2,2% avec un démarrage à chaud du moteur et 1,2% avec un démarrage à froid. La réalisation d’une preuve de concept de ReverCycle a permis de valider sa faisabilité technique. Les essais se sont focalisés surtout sur le mode de fonctionnement en ORC. Les résultats des essais ont montré un rendement maximal de récupération pour le cycle de 3,9% sur un point de fonctionnement stabilisé. Le rendement maximal moyenné sur un cycle dynamique, représentatif des conditions opératoires sur un véhicule conventionnel, a été de 3,3%.

In a light duty vehicle, waste heat recovery is a promising solution for reducing engine fuel consumption and emissions. The strong compactness, weight and cost requirements of the automotive sector are preventing the integration of waste heat recovery systems in vehicles. This work is proposing as a possible solution a multi-generation system called hereafter ReverCycle. ReverCycle is a system with three operating modes: vapor compression air conditioning, Organic Rankine Cycle (ORC) and ejector refrigeration cycle. The system can provide one function at a time. ReverCycle advantages are its compactness and cost since it is possible to exploit the vehicle air conditioning components. This means that the air conditioning scroll compressor is converted into a reversible compressor/expander machine and the condenser is mutualized for the three operating modes. The calculation of the fuel economy and the technical feasibility of the system are investigated combining a modeling approach with experimental activity. A global vehicle model reproduces the vehicle dynamic working conditions and the interaction between the different vehicle sub-systems. The model estimates the annual average fuel economy for different climatic regions. Two different vehicle architectures are investigated: a conventional vehicle and a series hybrid vehicle. For a conventional vehicle the maximum fuel economy is obtained in an oceanic climate ( e.g. Paris) with a 2.1% improvement at a hot start initial condition for the engine and 1.3% improvement at a cold start initial condition. The reference driving cycle for the fuel economy evaluation is the WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles). For a series hybrid vehicle the maximum fuel economy is obtained in a continental climate ( e.g. Moscow) with a 2.2% improvement at a hot start initial condition for the engine and 1.2% improvement at a cold start initial condition. The realization of ReverCycle proof of concept has allowed validating its technical feasibility. Experimental tests have mainly focused on the ORC operating mode. The experimental results show that the maximum cycle efficiency is 3.9% for a steady-state point. The average maximum cycle efficiency over a dynamic cycle, equivalent to a typical conventional vehicle operating mode, is 3.3%.