Study and design of a thermodynamic system generating mechanical work from a hot source at 120°C - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Study and design of a thermodynamic system generating mechanical work from a hot source at 120°C

Étude et conception d'un système thermodynamique producteur du travail mécanique à partir d'une source chaude à 120°C

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Abstract

Low-temperature waste-gas heat sources (< 120-150°C) exiting several industrial processes could be recovered for electricity production and constitute an effective mean to reduce primary energy consumption and carbon dioxide emissions. However, technical barriers such as low conversion efficiency, large needed heat transfer area, and the presence of chemically corrosive substances associated with high moisture content when operating in harsh environment impede their wider application. This thesis focuses on particularly energy-hungry industrial sectors characterized by presently unsolved challenges in terms of environmentally hostile low-temperature heat sources. Existing thermodynamic cycles based on Organic Rankine Cycle (ORC) are adapted and optimized for this temperature level. Two conventional heat recovery methods are studied more particularly: indirect and direct contact dehumidification. Optimized design methods for heat exchangers are elaborated and experimentally validated. For the indirect contact dehumidification, advanced anti-corrosion coated materials are proposed and laboratory tested. For the direct contact dehumidification, the effects of packing material and geometry on the corresponding hydraulic performances are underlined. Innovative thermodynamic cycles based on the liquid desiccant technology are investigated. An improved regeneration cycle (IRC) is developed. Compared to the conventional heat recovery technologies, the proposed “IRC” improves both net power and turbine expansion ratio besides preventing faced corrosions problems.
Les fumées à basse température (<120-150 °C) sortant des procédés industriels pourraient être récupérées pour la production d'électricité et constituent un moyen efficace de réduction de la consommation d'énergie primaire et des émissions de dioxyde de carbone. Cependant, des barrières techniques tels que la faible efficacité de conversion, la nécessité d'une grande zone de transfert de chaleur, et la présence de substances chimiques corrosives liées à une forte teneur en humidité lors du fonctionnement en environnement sévère entravent leur application plus large. Cette thèse porte particulièrement sur les secteurs industriels les plus énergivores rencontrant actuellement des difficultés à récupérer l'énergie des sources de chaleur à basse température dans des environnements hostiles. Des cycles thermodynamiques existants basés sur le Cycle de Rankine Organique (ORC) sont adaptés et optimisés pour ce niveau de température. Deux méthodes de récupération de chaleur classiques sont étudiées plus particulièrement : les déshumidifications à contact direct et indirect. Des méthodes de conception optimisées pour les échangeurs de chaleur sont élaborées et validées expérimentalement. Pour la déshumidification à contact indirect, des matériaux à revêtement anticorrosifs sont proposés et testés. Pour la déshumidification à contact direct, les effets du type et de la géométrie des garnissages sur les performances hydrauliques sont étudiés. Des cycles thermodynamiques innovants basés sur la technologie de déshydratation liquide sont proposés. Un cycle de régénération amélioré (IRC) est développé. Comparé aux technologies de récupération de chaleur classiques, l'IRC proposé améliore à la fois la puissance nette et le taux de détente de la turbine en prévenant par ailleurs les problèmes de corrosion.
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  • HAL Id : tel-01924552 , version 1

Cite

Samer Maalouf. Study and design of a thermodynamic system generating mechanical work from a hot source at 120°C. Other. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2013. English. ⟨NNT : 2013ENMP0074⟩. ⟨tel-01924552⟩
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