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  • Design dun nouveau concept de rcuprateur de chaleur

    pour micro-turbines

    EPFL

    Lausanne, le 08.01.2010

    Angel Iglesias, SGM, Master semestre 3

    Assistant: Emanuele Facchinetti

    Professeur: Daniel Favrat

  • Rapport projet de semestre: Design dun nouveau concept de rcuprateur de chaleur pour micro-turbines

    Angel Iglesias | SGM master semestre 3 | 08.01.2010 Page 2

    1 Rsum Dans ce rapport, nous prsentons l'tude d'un nouveau concept d'changeur de chaleur pour la

    rcupration de chaleur des gaz de combustion sortant d'une micro-turbine.

    Le rapport sarticule en quatre parties. La premire partie consiste faire une brve incursion

    dans l'tat de l'art du domaine particulier des rcuprateurs spcialement conus pour les

    micro-turbines. Dans la seconde partie, il sera question de prsenter en dtail le nouveau

    concept d'changeur envisag. Des points cruciaux tels que la construction ou les avantages

    par rapport d'autres gomtries y seront notamment abords.

    La troisime partie sera spcialement consacre au programme de calcul labor dans le cadre

    de ce projet destin au dimensionnement et la comparaison de performances entre le

    nouveau concept d'changeur et des concepts plus classiques. Dans cette partie, nous

    traiterons principalement des hypothses de calcul ralises, de la hirarchie d'appel de

    fonction au sein du programme et bien entendu de la mthode de calcul.

    Enfin, dans la dernire partie seront prsents et analyss les rsultats obtenus. Afin

    notamment de valider certains calculs du programme, quelques calculs CFD seront galement

    prsents.

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    Table des matires

    1 Rsum ............................................................................................................................... 2

    2 Introduction ........................................................................................................................ 5

    2.1 Contexte du projet ....................................................................................................... 5

    2.2 Objectifs atteindre en ce qui concerne le design ....................................................... 6

    3 tat de l'art .......................................................................................................................... 7

    3.1 Design d'changeurs classiques ................................................................................... 8

    3.1.1 changeur coaxial cintr ...................................................................................... 8

    3.1.2 changeur en batterie ailettes ............................................................................ 8

    3.1.3 changeur plaques ............................................................................................. 9

    3.2 Design de rcuprateurs spcifique aux (micro-) turbines .......................................... 9

    3.2.1 changeur canaux en plaques superposes ....................................................... 9

    3.2.2 changeur cylindrique canaux ou annulaire. ................................................... 11

    4 Le design en spiral ............................................................................................................ 11

    4.1 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 11

    4.2 Mthode de fabrication .............................................................................................. 13

    5 Ralisation dun programme de calcul pour le rcuprateur ............................................ 16

    5.1 Gomtries tudies ................................................................................................... 16

    5.2 Paramtres d'entre du programme............................................................................ 16

    5.2.1 Paramtres d'entre pour les fluides ................................................................... 16

    5.2.2 Choix des corrlations ........................................................................................ 17

    5.2.3 Paramtres de la gomtrie du systme .............................................................. 18

    5.3 Hypothses de calcul ................................................................................................. 19

    5.4 Organigramme hirarchique de l'appel des fonctions dans un droulement classique du programme. ..................................................................................................................... 20

    5.5 Calcul de l'changeur de chaleur ............................................................................... 21

    5.5.1 Calcul de la longueur de l'changeur.................................................................. 21

    5.5.2 Calcul des tempratures ..................................................................................... 22

    5.5.3 Calcul des pertes de charge ................................................................................ 22

    5.5.4 Calcul du rendement et de l'efficacit ................................................................ 23

    5.6 Validation de certains paramtres du modle l'aide de la CFD .............................. 23

    5.7 Les scurits dans le programme ............................................................................... 25

    5.7.1 Scurits dans la vrification des paramtres dentre ....................................... 25

    5.7.2 Scurit dans les calculs ..................................................................................... 25

    5.8 Sorties du programmes .............................................................................................. 25

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    5.8.1 Paramtres de sortie des gaz de combustion et du rfrigrant ........................... 25

    5.8.2 Dimensions de l'changeur calcules ................................................................. 26

    5.8.3 Rendement et efficacit de l'change de chaleur ................................................ 27

    5.8.4 Les graphiques .................................................................................................... 27

    6 Rsultats ........................................................................................................................... 28

    6.1 Comparaison entre les trois gomtries implmentes dans le programme .............. 28

    6.2 Comparaison entre les diffrentes corrlations ......................................................... 30

    6.2.1 Rgime laminaire ............................................................................................... 31

    6.2.2 Rgime turbulent ................................................................................................ 32

    6.3 Effets engendrs par la variation de certains paramtres .......................................... 33

    6.3.1 Le dbit masse .................................................................................................... 33

    6.3.2 Influence du matriau choisi dans la fabrication de l'changeur ........................ 34

    6.3.3 Influence de la taille des canaux......................................................................... 34

    7 Conclusions ...................................................................................................................... 37

    7.1 Continuit du projet ................................................................................................... 37

    7.2 Remerciements .......................................................................................................... 37

    8 Bibliographie .................................................................................................................... 38

    8.1 Ouvrages .................................................................................................................... 38

    8.2 Articles ....................................................................................................................... 38

    8.3 Sites internet et pages web ......................................................................................... 39

    9 Annexes ............................................................................................................................ 40

    9.1 Fonctions importantes du programme ....................................................................... 40

    9.1.1 Exchange_gasPhase ........................................................................................... 40

    9.1.2 dPdz_singlePhase ............................................................................................... 43

    9.1.3 HTC_singlePhase ............................................................................................... 47

    9.2 Fiche technique des matriaux pour l'changeur ....................................................... 52

    9.2.1 13CrMo-4-5 ........................................................................................................ 52

    9.2.2 GX12Cr14 (CA-15) ............................................................................................ 53

    9.2.3 Nitride Ceramics: TiN ........................................................................................ 54

    9.2.4 Nitride Ceramics: AlN - T180 ............................................................................ 55

    9.3 Fiche technique des isolants ...................................................................................... 56

    9.3.1 Laine de roche Flumroc ................................................................................... 56

    9.3.2 Feutre isolant Fiberfrax Durafelt ................................................................ 57

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    2 Introduction L'arrive future de petites installations de cognration d'chelle domestique combinant une

    pile combustible et une micro-turbine requiert une installation de haut rendement et de

    faible encombrement. Le rcuprateur de chaleur de la micro-turbine s'inscrivant comme un

    lment de plus du systme de cognration, il est tout naturel qu'il soit conu dans le mme

    esprit.

    Sur le march, il existe dj des rcuprateurs de chaleur pour les (micro-)turbines. Cependant,

    ceux qui offrent de bons rendements sont gnralement de taille imposante et les autres, plus

    avancs et plus compactes, sont encore au stade de la recherche.

    Ces raisons nous ont donc amens imaginer un nouveau concept d'changeur au lieu de

    produire une simple copie des changeurs qui sont actuellement en phase de recherche. Bien

    entendu, ces derniers serviront titre de comparaison pour valuer les performances de notre

    design dans le programme de dimensionnement entre autres.

    2.1 Contexte du projet

    Comme nous l'avons voqu dans le paragraphe prcdent, le contexte du projet ci-prsent

    s'inscrit dans un plus vaste projet de recherche dont le but est de raliser un systme de

    cognration utilisant un cycle hybride combinant une pile combustible (SOFC) une

    micro-turbine gaz (figure 1).

    Figure 1: Reprsentation du systme complet de cognration

    L'avantage de coupler la pile combustible une micro-turbine rside dans le fait que les

    piles combustible ne ralisent pas une oxydation complte du carburant. Par consquent, si

    l'on veut rcuprer au mieux le potentiel nergtique qui subsiste dans les produits de

    l'oxydation incomplte du carburant, il est ncessaire de terminer cette oxydation. Une des

    meilleures choses faire est de rutiliser ces produits dans une chambre de (post-)combustion

    pour augmenter le niveau de temprature puis dtendre les gaz obtenus dans une (micro-)

    turbine.

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    Dans une architecture classique de ce systme, les gaz doivent tre comprims avant leur

    passage dans la turbine; soit l'amont de la pile combustible soit l'aval1 avant la chambre

    de combustion. La compression la plus avantageuse d'un point de vue nergtique et

    conomique est celle qui se ralise l'amont de la pile combustible lorsque le combustible

    est encore liquide. En effet, cet endroit la compression peut se faire par une pompe qui

    utilise beaucoup moins de ressources qu'un compresseur pour atteindre un mme niveau de

    pression. Le problme de la pressurisation du combustible se situe au niveau mme de la pile,

    o pour le moment, les empilements ont du mal rsister aux contraintes engendres par la

    diffrence de pression entre le combustible et le comburant.

    Pour pallier ce problme et que la compression du gaz soit la plus conome possible d'un

    point de vue nergtique, le systme envisag passe par la ralisation dun cycle de Brayton

    invers (fig. 2) avec une compression aprs la sortie de la turbine et du rcuprateur (fig.1).

    Dans ce cas l, la turbine dtend les gaz de combustion de la pression atmosphrique une

    pression sous-atmosphrique dfinie par le rapport de pression de la turbine radiale. La

    compression la sortie du rcuprateur est ensuite ralise d'une part par une pompe pour la

    partie condense et d'autre part par un compresseur pour les gaz.

    Figure 2: Cycle de Brayton invers fonctionnant avec une pression sous-atmosphrique

    Pour le systme envisag, l'intrt d'un rcuprateur de chaleur est double. En effet, d'une part

    il va abaisser la temprature des gaz de combustion un point tel qu'il sera ds lors possible

    d'utiliser un compresseur radial classique. D'autre part, la chaleur rcupre va permettre de

    former de la vapeur haute temprature qui va tre injecte dans la chambre de combustion

    pour accrotre le dbit masse de la turbine et donc accrotre galement son rendement.

    2.2 Objectifs atteindre en ce qui concerne le design

    L'objectif premier dans le design du rcuprateur de chaleur tait de raliser un changeur qui

    puisse galement servir de sparateur pour la rcupration du condensat. Aprs quelques

    rflexions, il a t conclut que la partie la plus critique du transfert de chaleur rsidait dans la

    phase gazeuse, d'o la dcision prise de sparer le rcuprateur en deux modules distincts un

    s'occupant des hautes tempratures (phase gazeuse) et le second s'occupant de la phase

    diphasique. Nous avons repris le nom de rcuprateur pour l'changeur s'occupant de la phase

    gazeuse et nous avons donn le nom de sparateur pour l'changeur s'occupant de l'tat

    diphasique.

    1 Mme avant la chambre de combustion le niveau de temprature est beaucoup trop lev pour un compresseur

    radial fabriqu avec des matriaux classiques.

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