Numerical and experimental study of real gas expansion in radial inflow turbines for ORC.
Etude numérique et expérimentale de la détente des gaz denses dans les turbines radiales ORC.
Résumé
The current global warming due to our high consumption of fossil fuels since the industrial revolution has led to an imperative to reduce the consumption of fossil fuels. This reduction requires energy sobriety and the optimisation of all energy systems. A significant part of the energy produced is not used and is released into the environment. This waste energy is referred to as "waste heat" or "waste heat". Sources of waste heat include industrial waste (chemical processes, metallurgy, cement, glass, etc.) and individual waste (cars, boilers, etc.). Organic Rankine/Hirn cycles (ORC) are an efficient way of producing electricity by converting low and medium temperature waste heat. In Europe alone, the recoverable electrical potential of industrial losses is estimated at several gigawatts.The analysis of the work carried out both on the cycles (architecture, nature, etc.) and on the various components (pump, exchangers, turbine and fluid) concludes that it is necessary to focus on the turbine in general and radial turbines in particular. Indeed, the latter are best suited to small compact installations and improving their performance leads to an increase in useful power. In addition, reducing the development cost of a turbine (which can represent half the cost of an installation) would undoubtedly boost the attractiveness of ORCs. This can be achieved by developing simple and robust design methodologies for this key component and increasing its efficiency.Current ORC turbine design methodologies are based on those of conventional air-fired turbines. However, in ORCs, the gas can have a behaviour and/or dynamics that deviate from those of the ideal gas. This is called dense or real gas. This nature is achieved when the compressibility factor is less than unity. Classical correlations are no longer suitable in this configuration. Hence the need for new models that have been put forward in various numerical works. However, little or no experimental data are available for the validation of these works.In this thesis work, we have set up an ORC experimental setup to experimentally characterise the expansion of dense gases in radial turbines. For this purpose, the design of a radial turbine of a few kilowatts operating with three different fluids was carried out. Cycle modelling was used to select the working fluids and the operating ranges of the turbine. The operating conditions correspond to a range in which the gas is not ideal. Numerically, a methodology for design and performance analysis by the mean line via loss models was developed. The modelling of expansion with an acausal language and similarity in dense gas turbines was also addressed. The 3D CFD simulations were conducted with a study of the influence of clearance, roughness, gas model and stator type on the turbine performance. These simulations allowed the establishment of the turbine performance map for each fluid.The mean line analysis showed that the turbine has an efficiency of up to 82.4%. A good agreement between the CFD results and the 0D code is observed. The differences between the CFD and the 0D prediction are 4.87% for the flow rate and 6.5% for the efficiency. The experimental tests resulted in a peak power dissipation of about 1 kW. The experimental results show a similarity with the numerical results. The differences are about 8.7% in terms of flow rate between the CFD and the experiments.
Le réchauffement climatique actuel dû à notre forte consommation des énergies fossiles depuis la révolution industrielle a conduit à un impératif : réduire la consommation de ces dernières. Cette réduction passe par la sobriété énergétique ainsi que l’optimisation de tous les systèmes énergétiques. Une partie non négligeable de l'énergie produite n'est pas utilisée et se retrouve rejetée dans la nature. Cette énergie perdue est désignée par les termes « effluents thermiques » ou « chaleurs fatales ». Les sources de chaleurs fatales sont constituées d'une part de rejets industriels (process chimiques, métallurgie, cimenterie, verrerie, …) et d'autre part de rejets individuels (automobiles, chaudières). Les cycles de Rankine/Hirn en fluide organique (ORC) sont un moyen efficace de production électrique via la conversion des chaleurs fatales à basse et moyenne température. Rien qu'en Europe, le potentiel électrique récupérable des pertes industrielles est estimé à plusieurs gigawatts.L'analyse des travaux menés tant sur les cycles (architecture, nature) que sur les divers composants (pompe, échangeurs, turbine et fluide) conclut à la nécessité de mettre l’accent sur la turbine d’une manière générale et les turbines radiales en particulier. En effet, ces dernières sont les mieux adaptées aux petites installations compactes et l'amélioration de leurs performances conduit à l'augmentation de la puissance utile. Par ailleurs, la réduction du coût de développement d’une turbine (qui peut représenter la moitié du coût d’une installation) doperait sans doute l'attractivité des ORC. Cette réduction passe par le développement de méthodologies de design simples et robustes de ce composant clé et l’accroissement de son rendement.Les méthodologies actuelles de design des turbines ORC sont basées sur celles des turbines classiques fonctionnant à l’air. Or dans les ORC, le gaz peut avoir un comportement et ou une dynamique s’écartant de ceux du gaz idéal. On parle alors de gaz dense ou réel. Cette nature est atteinte lorsque le facteur de compressibilité est inférieur à l’unité. Les corrélations classiques s’avèrent ne plus être adaptées dans cette configuration. D’où la nécessité de nouveaux modèles mis en avant dans divers travaux numériques. Cependant peu ou quasiment pas de données expérimentales sont disponibles pour la validation de ces travaux.Dans ce travail de thèse, nous avons mis en place un dispositif expérimental ORC afin de caractériser expérimentalement la détente des gaz denses dans les turbines radiales. Pour ce faire, la conception d'une turbine radiale de quelques kilowatts fonctionnant avec trois fluides différents a été réalisée. Une modélisation du cycle a permis de sélectionner les fluides de travail et les plages de fonctionnement de la turbine. Les conditions de fonctionnement correspondent à une plage dans laquelle le gaz n’est pas idéal. Numériquement une méthodologie de design et d'analyse des performances par la ligne moyenne via les modèles de pertes a été développée. Ont été également traités la modélisation de la détente avec un langage acausal et la similitude dans les turbines à gaz dense. Les simulations 3D CFD ont été conduites avec une étude de l'influence sur les performances de la turbine des jeux, de la rugosité, du modèle de gaz et du type de stator. Ces simulations ont permis l'établissement de la carte de performances de la turbine pour chaque fluide.L'analyse par la ligne moyenne a permis d'établir que la turbine a un rendement atteignant les 82.4%. Une bonne concordance entre les résultats CFD et le code 0D est observée. Les écarts entre la CFD et la prédiction 0D sont de 4.87% pour le débit et de 6.5 % pour le rendement. Les essais expérimentaux ont permis de dissiper par pics une puissance d'environ 1 kW. Les résultats expérimentaux présentent une similitude avec les résultats numériques. Les écarts sont de l'ordre de 8.7% en termes de débit entre la CFD et les expérimentations.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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