Comprendre l'impact des fluides de travail chimiquement réactifs dans les cycles thermodynamiques

Understanding the Impact of Chemically Reactive Working Fluids in Thermodynamic Cycles

• Auteur / Autrice : Aya Barakat
• Direction : Jean-Noël Jaubert, Silvia Lasala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 11/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Virginie Lair
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Jaubert, Silvia Lasala, Assaad Zoughaib, David Vega-Maza, Charbel Mansour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Assaad Zoughaib, David Vega-Maza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pompes à chaleur

Thermodynamique

Fluides

Thermochimie

Chimie -- Essais et réactifs

Mots clés libres

Fluides de travail réactifs

Cycles de puissance

Pompes à chaleur

Reactive working fluids

Power cycles

Heat pumps

Résumé

Dans le but d'améliorer les performances des cycles thermodynamiques, de nouveaux fluides de travail chimiquement réactifs sont étudiés. Ces fluides subissent des réactions chimiques équilibrées et des changements de composition tout au long du cycle. Contrairement aux fluides de travail conventionnels inertes, ils permettent la conversion simultanée des énergies thermique et chimique en énergie mécanique. Cette thèse évalue une série de fluides réactifs théoriques, sièges de réactions de dissociation/association, pour être utilisés comme fluides de travail dans des cycles thermodynamiques. Ces fluides, modélisés comme des mélanges de gaz parfaits, décriront successivement un cycle de Brayton et un cycle de Stirling. L'objectif est de bien comprendre et de quantifier les effets thermodynamiques de l'utilisation d'un fluide de travail réactif sur chacune des transformations ainsi que sur l'ensemble du cycle. Les résultats révèlent que, pour une pompe à chaleur basée sur le cycle de Brayton inverse, l'utilisation de fluides de travail chimiquement réactifs peut entraîner une augmentation significative, jusqu'à un facteur trois, du coefficient de performance (COP) par rapport aux fluides inertes. Cependant, les fluides qui atteignent des valeurs élevées de COP sont caractérisés par une faible quantité de chaleur cédée à haute température (à la source chaude). Pour remédier à ce problème, le débit massique du fluide réactif peut être ajusté pour produire une puissance thermique équivalente à celle obtenue par un fluide de travail inerte. A titre d'exemple, une augmentation du débit massique de seulement 10 % peut conduire à doubler la valeur du COP pour certains fluides réactifs. En revanche, en ce qui concerne un cycle moteur de type Stirling, une augmentation du travail spécifique net est possible pour certains fluides réactifs sans pénaliser le rendement. Cependant, il est observé que, pour la plupart des fluides réactifs, le rendement du cycle est affecté par les irréversibilités introduites par les fluides réactifs dans le régénérateur. En considérant une pompe à chaleur fonctionnant selon un cycle de Stirling inverse, l'utilisation de fluides de travail réactifs entraîne une augmentation allant jusqu'à 269 % de la chaleur spécifique libérée à haute température en raison de l'exothermicité de la réaction lors de la compression isotherme, tout en pénalisant le COP de moins de 20 %. Cela rend la pompe à chaleur Stirling réactive attrayante pour les applications où la taille du système est contrainte.

In pursuit of enhancing the performance of thermodynamic cycles, novel chemically reactive working fluids are investigated. These fluids undergo equilibrated chemical reactions and compositional changes throughout the cycle. Unlike inert conventional working fluids, they enable the simultaneous conversion of both thermal and chemical energies into mechanical energy. This thesis assesses a range of theoretical reactive fluids, based on dissociation/association reactions, as candidate working fluids for thermodynamic cycles. These fluids are modeled as ideal gaseous mixtures. Accordingly, two gas cycles are investigated: the Brayton cycle and the Stirling cycle. The objective is to clarify and quantify the thermodynamic effects of utilizing a reactive working fluid on each thermodynamic transformation, as well as on the overall cycle. Results reveal that for a heat pump based on the reverse Brayton cycle, utilizing chemically reactive working fluids can result in a significant increase of up to threefold in the coefficient of performance (COP) compared to inert fluids. However, the fluids that achieve high COP values are characterized by a poor specific heat supply to the heat sink. To address this issue, the mass flow rate of the reactive heat pump can be adjusted to supply thermal power equivalent to that of an inert system. Increasing the mass flow rate by only 10% guarantees a more than twofold increase in the COP for certain reactive fluids. On the other hand, when it comes to a Stirling power cycle, an increase in the net specific work output is possible for certain reactive fluids without penalizing the efficiency. However, it is observed that, for most of the reactive fluids studied, the thermal efficiency of the system suffers due to the irreversibilities reactive fluids introduce to the regenerator. Considering a heat pump operating on the reverse Stirling cycle, utilizing reactive working fluids results in up to a 269% increase in the specific heat supplied to the heat sink due to the exothermic reaction during isothermal compression, while penalizing the COP by less than 20%. This makes the reactive Stirling heat pump attractive for applications where system size is constrained.