Exploitation of waste heat could achieve economic and environmental benefits, while at the same time increase energy efficiency in process sites. Diverse commercialised technologies exist to recover useful energy from waste heat. In addition, there are multiple on-site and offsite end-uses of recovered energy. The challenge is to find the optimal mix of technologies and end-uses of recovered energy taking into account the quantity and quality of waste heat sources, interactions with interconnected systems and constraints on capital investment. Explicit models for waste heat recovery technologies that are easily embedded within appropriate process synthesis frameworks are proposed in this work. A novel screening tool is also proposed to guide selection of technology options. The screening tool considers the deviation of the actual performance from the ideal performance of technologies, where the actual performance takes into account irreversibilities due to finite temperature heat transfer. Results from applying the screening tool show that better temperature matching between heat sources and technologies reduces the energy quality degradation during the conversion process. A ranking criterion is also proposed to evaluate end-uses of recovered energy. Applying the ranking criterion shows the use to which energy recovered from waste heat is put determines the economics and potential to reduce CO2 emissions when waste heat recovery is integrated in process sites. This thesis also proposes a novel methodological framework based on graphical and optimization techniques to integrate waste heat recovery into existing process sites. The graphical techniques are shown to provide useful insights into the features of a good solution and assess the potential in industrial waste heat prior to detailed design. The optimization model allows systematic selection and combination of waste heat source streams, selection of technology options, technology working fluids, and exploitation of interactions with interconnected systems. The optimization problem is formulated as a Mixed Integer Linear Program, solved using the branch-and-bound algorithm. The objective is to maximize the economic potential considering capital investment, maintenance costs and operating costs of the selected waste heat recovery technologies. The methodology is applied to industrial case studies. Results indicate that combining waste heat recovery options yield additional increases in efficiency, reductions in CO2 emissions and costs. The case study also demonstrates that significant benefits from waste heat utilization can be achieved when interactions with interconnected systems are considered simultaneously. The thesis shows that the methodology has potential to identify, screen, select and combine waste heat recovery options for process sites. Results suggest that recovery of waste heat can improve the energy security of process sites and global energy security through the conservation of fuel and reduction in CO2 emissions and costs. The methodological framework can inform integration of waste heat recovery in the process industries and formulation of public policies on industrial waste heat utilization.

La production d'électricité dépend étroitement de la disponibilité d'une source froide. C'est la raison pour laquelle la plupart des centrales de grande puissance dans le monde sont construites près d'une source d'eau. Le problème de la source froide a été soulevé à plusieurs reprises en France, notamment après les canicules de 2003 et de 2006. Le refroidissement à l'air sec est une des options possibles. Cependant, étant donné le besoin de surface d'échange plus important, le changement de la source froide pour l'air ambiant n'est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.Une des solutions à ce problème imaginées à EDF était de changer l'architecture du cycle de production en considérant un cycle de production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la vapeur d'eau et le deuxième fonctionnant avec de l'ammoniac dont la vapeur à basse pression est beaucoup plus dense que celle de l'eau. Cette solution permet de faciliter l'utilisation d'un aérocondenseur et de réduire la taille de la salle machine.En raison de la nature toxique et corrosive de l'ammoniac, il est intéressant d'étudier la possibilité de remplacer ce dernier par d'autres fluides plus adaptés, notamment en envisageant de nouveaux fluides pour lesquels peu ou pas de données sont disponibles. Nous comparons les fluides sur le plan énergétique et en terme de taille des composants de l'installation.Cette thèse illustre la démarche des différentes étapes de notre travail : la recherche de nouveaux fluides de travail, l'évaluation de performance du système en régime nominal et non-nominal, le dimensionnement des principaux composants du cycle ainsi que l'évaluation de coût et de gain économique éventuel. / This work considers a two stage Rankine cycle architecture slightly different from a standard Rankine cycle for electricity generation. Instead of expanding the steam to extremely low pressure, the vapor leaves the turbine at a higher pressure then having a much smaller specific volume. It is thus possible to greatly reduce the size of the steam turbine. The remaining energy is recovered by a bottoming cycle using a working fluid which has a much higher density than the water steam. Thus, the turbines and heat exchangers are more compact; the turbine exhaust velocity loss is lower. This configuration enables to largely reduce the global size of the steam water turbine and facilitate the use of a dry cooling system.The main advantage of such an air cooled two stage Rankine cycle is the possibility to choose the installation site of a large or medium power plant without the need of a large and constantly available water source; in addition, as compared to water cooled cycles, the risk regarding future operations is reduced (climate conditions may affect water availability or temperature, and imply changes in the water supply regulatory rules).The concept has been investigated by EDF R&D. A 22 MW prototype was developed in 70s using ammonia as the working fluid of the bottoming cycle for its high density and high latent heat. However, this fluid is toxic. In order to search more suitable working fluids for the two stage Rankine cycle application and to identify the optimal cycle configuration, we have established a working fluid selection methodology. Some potential candidates have been identified. We have evaluated the performances of the two stage Rankine cycles operating with different working fluids in both design and off design conditions. For the most acceptable working fluids, components of the cycle have been sized. The power plant concept can then be evaluated on a life cycle cost basis.

World resources are becoming more and more scarce due to the increasing demand. Hence, the industry is moving towards sustainable development in order to suffice the needs of the future generations. Electricity is one such resources that account for 90% of the daily utility. In Sweden alone 378 TWh of electricity is consumed over a year. The major source of production of electricity is the fossil fuels, but due to development in the renewable resource's the electricity is also produced using solar, wind and geothermal energy. However, no production process is 100% efficient and hence, there is loss of energy in the form of waste. Organic Rankine Cycle Turbine (ORC) is a technology which is under the focus of the researcher and the industry to convert this wasteful energy into useful energy. Designing of these machines is a challenging task which requires careful consideration of every design parameter, i.e. with the change in every parameter the losses in the turbine either increase or decrease. In this study, effect of the parameters such as inlet mach number, stagger angle, inlet angle and pitch to chord is studied to see the effect on the profile loss. Since ANSYS Fluent works with 2D unlike ANSYS CFX which work with pseudo 2D geometry, ANSYS Fluent was used for investigating profile loss. Furthermore, a methodology is defined to investigate the tip leakage loss based on the geometry provided by the Againity AB for future studies. Tip leakage loss simulations were carried out in ANSYS CFX turbo mode due to its user friendly interface for simulating turbo machinery flows. The results of the profile loss investigation suggested a range for parameters where the profile loss is observed to be comparatively lower than elsewhere. The methodology proposed for tip leakage loss investigation paved a pathway for the further improvement with respect to the future studies.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet collaboratif MICROSOL, mené par Schneider Electric, et qui oeuvre pour le développement de micros centrales solaires thermodynamiques destinées à la production d'électricité en sites isolés (non connectés au réseau électrique) en exploitant l'énergie thermique du soleil. Le but de cette thèse étant le développement de lois de commande innovantes et efficaces pour la gestion de l'énergie de deux types de micros centrales solaires thermodynamiques : à base de moteur à cycle de Stirling et à base de machines à Cycle de Rankine Organique (ORC). Dans une première partie, nous considérons une centrale solaire thermodynamique à base de machine à cycle de Stirling hybridée à un supercondensateur comme moyen de stockage d'énergie tampon. Dans ce cadre, nous proposons une première loi de commande validée expérimentalement, associée au système de conversion d'énergie du moteur Stirling, qui dote le système de performances quasi optimales en termes de temps de réponse ce qui permet de réduire la taille du supercondensateur utilisé. Une deuxième loi de commande qui gère explicitement les contraintes du système tout en dotant ce dernier de performances optimales en terme de temps de réponse, est également proposée. Cette dernière loi de commande est en réalité plus qu'un simple contrôleur, elle constitue une méthodologie de contrôle applicable pour une famille de systèmes de conversion de l'énergie.Dans une deuxième partie, nous considérons une centrale solaire thermodynamique à base de machine à cycle de Rankine Organique (ORC) hybridée à un banc de batteries comme moyen de stockage d'énergie tampon. Etant donné que ce système fonctionne à vitesse de rotation fixe pour la génératrice asynchrone qui est connectée à un système de conversion d'énergie commercial, nous proposons une loi de commande prédictive qui agit sur la partie thermodynamique de ce système afin de le faire passer d'un point de fonctionnement à un autre, lors des appels de puissance des charges électriques, le plus rapidement possible (pour réduire le dimensionnement des batteries) tout en respectant les contraintes physiques du système. La loi de commande prédictive développée se base sur un modèle dynamique de la machine ORC identifié expérimentalement grâce à un algorithme d'identification nonlinéaire adéquat. / This Ph.D thesis was prepared in the scope of the MICROSOL project, ledby Schneider Electric, that aims at developing Off-grid solar thermodynamic micro powerplants exploiting the solar thermal energy. The aim of this thesis being the development of innovative and efficient control strategies for the energy management of two kinds of solar thermodynamic micro power plants: based on Stirling engine and based and Organic RankineCycle (ORC) machines.In a first part, we consider the Stirling based solar thermodynamic micro power planthybridized with a supercapacitor as an energy buffer. Within this framework, we propose afirst experimentally validated control strategy, associated to the energy conversion system ofthe Stirling engine, that endows the system with quasi optimal performances in term of settlingtime enabling the size reduction of the supercapacitor. A second control strategy that handlesexplicitly the system constraints while providing the system with optimal performances interm of settling time , is also proposed. This control strategy is in fact more than a simplecontroller, it is a control framework that holds for a family of energy conversion systems.In a second part, we consider the Organic Rankine Cycle (ORC) based thermodynamicmicro power plant hybridized with a battery bank as an energy buffer. Since this system worksat constant speed for the asynchronous generator electrically connected to a commercial energyconversion system, we propose a model predictive controller that acts on the thermodynamicpart of this system to move from an operating point to another, during the load power demandtransients, as fast as possible (to reduce the size of the battery banks) while respecting thephysical system constraints. The developed predictive controller is based upon a dynamicmodel, for the ORC power plant, identified experimentally thanks to an adequate nonlinearidentification algorithm.

La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature. / Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods.