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.

The master's thesis deals with district heat exchangers in a thermal steam cycle of combined heat and power plants and with types of condensate cascades in the multilevel heating systems. Calculation of the thermal efficiency of electricity generation is provided for the investigated thermal cycle, which was modified for three different types of cascades. Besides that, a comparison of useful electric power and electricity generation through one year period of working is made. A significant part of the work is devoted to the design of district heat exchangers, including the calculation of thermal power and heat transfer area. Main dimensions are proposed for each exchanger together with a basic drawing.

This diploma thesis deals with the problematics of fan cooling towers. The very first part of the text is research, focusing mainly on the theory of cooling and the function of fan cooling towers in general. The following chapter deals with the water resource management of the Dukovany nuclear power plant and the specification of its objects of forced draft cooling towers. The second part describes a computational model created to determine the cooling performance of these towers under the given input conditions. In the following chapters, the results from the computational model are compared with the available data from warranty measurements and with the provided characteristics. The final pages deal with the study of the influence of changes in input parameters on the cooling performance and the research of the behavior of the cooling towers under extreme weather conditions.

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.

Utsläppen av växthusgaser måste minska snabbt under de kommande åren. Sveriges mål är att uppnå nettonollutsläpp till år 2045. Industrisektorn spelar en avgörande roll i omställningsarbetet genom att minska sitt energibehov och fasa ut sin användning av fossila bränslen, teknikutvecklingen måste gå mot mer klimatsmarta och hållbara produkter och produktionsmetoder. Omställningen kommer att kräva ett mer robust och tillförlitligt energisystem där dagens centraliserade system kompletteras med mindre decentraliserade produktionsanläggningar så att effekt- och energibehov kan tillgodoses i alla lägen. Att producera el och värme närmare användaren bidrar till minskade överföringsförluster. Småskalig kraftvärmeproduktion (CHP) baserad på biobränslen eller restvärmeresurser kan vara en del av lösningen för att minska utsläppen av växthusgaser. Syftet med det här examensarbetet är att undersöka möjligheten för ett medelstort svenskt industriföretag att producera sitt eget basbehov av värme och el med hjälp av den konventionella Rankinecykeln. Samt att undersöka hur produktionskostnaderna av el och värme förändras beroende på anläggningens storlek. Arbetet har bestått av datainsamling från olika tillverkare av turbiner och pannor, en beräkningsmodell skapades i Excel där anläggningar av olika storlek har jämförts vid olika driftscenarion. Ekonomiska kalkyler har gjorts med hjälp av Pay-off metoden och Nuvärdesmetoden. Resultatet visar att produktionskostnaderna för anläggningar med turbiner i storleksordningen 10 – 100 kWel ligger på en relativt jämn nivå och betydligt lägre än priserna på köpt el och fjärrvärme. Den ekonomiska bedömningen visar generellt på positiva resultat med korta pay-offtider och positiva nuvärden. En jämförelse av anläggningarna visar att elverkningsgraden är låg och att totalverkningsgraden i vissa fall blir lägre än för företagets befintliga värmeleverantör. Detta visar att trots att det ur ett ekonomiskt perspektiv kan vara en lönsam investering kan det ur ett systemperspektiv vara ett sämre alternativ då en lägre verkningsgrad leder till en ökad primärenergianvändning. Det är många parametrar som påverkar en CHP-anläggnings prestanda och ekonomiska lönsamhet, men en av de viktigaste är drifttiden. Att ha en kontinuerlig drift under större delen av året har stor påverkan på anläggningens ekonomiska prestanda. Anläggningens låga elverkningsgrad gör också att största besparingen hamnar på värmeproduktionen vilket gör att anläggningen bör dimensioneras så att den ersätter så stor del som möjligt av företagets värmebehov. / The emissions of greenhouse gases need to decrease rapidly over the coming decades. Sweden has set the target to achieve net zero emissions by 2045. The industrial sector plays a crucial role in that conversion by reducing its energy needs and to convert from fossil fuels to renewables. This conversion will require a more robust and reliable energy system were todays centralized system has been supplemented by small decentralized production facilities. To produce heat and power closer to the consumers means less transmission losses. Small scale combined heat and power (CHP) production based on biofuels or excess heat could be a solution to reduce greenhouse gas emissions. The purpose of this paper is to evaluate the possibility for a mid-size Swedish industrial company to produce its own base load of heat and power with a conventional Rankine cycle. Also to evaluate the production costs depending on the size of the plant. The work has consisted of data collection from different manufacturers of steam turbines and steam boilers, a calculation model has been made in Excel to compare different plant sizes and in different operating scenarios. Economical evaluations has been made with the Pay-off method and the net present value method (NPV). The result shows that production costs for facilities with steam turbines in the size range of 10 – 100 kWel is well below the price of bought electricity and district heating. The economical evaluation generally shows on short pay-off times and positive NPV. A comparison of the CHP plants shows that the electric efficiency is low and the total efficiency sometimes can be lower than for the existing heat supplier of the company. This means that a switch to local CHP will have a negative impact from a system perspective, because of the increased use of primary energy resources. There is many parameters that affects the performance of a CHP plant but the most crucial is the operation time. To have a continuous operation over a major part of the year has a great impact on the economic performance. The low electric efficiency means that the major part of the savings gets on the heat production. This means that the CHP plant should be dimensioned to replace primarily the heat requirement.

Au moins 30% de l'énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. L'intérêt des constructeurs pour les systèmes de récupération de chaleur bases sur le cycle thermodynamique de Rankine est justifié par des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%. L'ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion des procédés Rankine pour des applications ≪ mobiles ≫. Ce manuscrit s'appuie sur trois cas d'étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion hybride Diesel électrique. Pour cela, des approches de l'automatique à base de modèle ont été développées. Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l'asservissement de la température et de la pression en sortie d'évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d'énergie sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques. La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d'un véhicule est ensuite abordée. Il s'agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser l'efficacité énergétique d'un véhicule équipé d'un système de récupération d'énergie par cycle de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l'optimisation dynamique temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l'optimisation statique du système habituellement employée dans la littérature / More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases. The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justified by announced reductions in fuel consumption ranging from 5 and 10% depending on the system and the driving cycle. The aim of this thesis is to help remove the main barriers associated with supervising and controlling Rankine processes for ≪ mobile ≫ applications. This dissertation is based on three study cases, each corresponding to a pilot process installed in engine test benches at IFP Energies nouvelles (IFPEN). These are applications to be integrated respectively on board light-duty vehicles with spark-ignition engine, heavy-duty trucks and trains with Diesel-electric propulsion. An original nonlinear (model-based) control law for the temperature and the pressure tracking at the evaporator outlet is proposed. It is shown experimentally that the system can be maintained under conditions allowing continuous energy recovery, even during highly transient road cycles. Then the supervision of Rankine systems is addressed, resulting in the choice of optimal set-points (in term of energy management) for the low-level controller. An optimal control problem is formulated, allowing online implementation via dynamic real-time optimization.The proposed approach is validated on a realistic simulator, showing significant benefits in the amount of energy recovered when compared with the classical (static) approach found in Rankine cycle literature

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.

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les performances énergétiques d'une installation de micro-cogénération solaire. Le prototype réalisé est constitué d'un concentrateur cylindro-parabolique associé à un moteur à vapeur fonctionnant suivant un cycle de Hirn (Rankine avec surchauffe). Les originalités de ce projet sont l’utilisation de l’énergie solaire, renouvelable et inépuisable mais intermittente, la génération directe de vapeur au sein d'un concentrateur de taille réduite (46,5 m²), le système de suivi solaire sur deux axes et le couplage à un moteur à piston non lubrifié. La première partie de l'étude porte sur le concentrateur seul. Son fonctionnement est étudié sur deux journées types (ensoleillée et nuageuse) et son rendement thermique est évalué. La dynamique du système est également abordée notamment par l'étude de sa réponse à des perturbations. Une régulation de type boucle ouverte a été mise en place et validée. La seconde partie concerne la caractérisation du moteur seul. Des essais ont été menés avec une puissance de source chaude stable puis variable. À partir des résultats obtenus, un modèle empirique est développé, puis exploité dans le cadre d'une étude paramétrique du moteur. Cette étude montre l'influence importante du ratio de pression et de la vitesse de rotation sur le rendement. Dans la dernière partie, les performances globales (rendement, puissances électrique et thermique produites) du micro-cogénérateur sont évaluées. Des essais à pression et à vitesse régulées sont présentés. A partir de cartographies de fonctionnement réalisées à l’aide d’un modèle empirique, une régulation basée sur l'utilisation d'un by-pass est alors mise en place, puis testée. / The objective of this thesis is the experimental study of the energy performances of a micro combined solar heat and power (micro-CHP) unit. The prototype is composed of a solar parabolic trough collector coupled to a Hirn (superheated Rankine) cycle engine. The originalities of this project are the use of solar energy which is renewable and inexhaustible but intermittent, the direct steam generation with a reduced size parabolic trough collector (46.5 m²), the two axis tracking system and the coupling with an oil-free reciprocating steam engine. The first part of this study is focussed on the solar collector. Thermal performances under sunny and cloudy conditions are presented and the thermal efficiency is evaluated. The system dynamic is also investigated through the characterization of the inertia as well as a study of its response to perturbations. Then a control strategy is set up and validated. The second part deals with the characterization of the engine. Tests have been performed with a stable and variable heat source power. From these tests, an empirical model has been developed and used in a parametrical study. This study shows the significant influence of the pressure ratio and of the rotational speed on the efficiency of the engine. In the last part, global performances (efficiency, output thermal and electrical powers) of the entire micro-CHP unit are evaluated. Tests with controlled pressure and speed are presented. From operating maps established from an empirical model, a control strategy based on the use of a by-pass is set up and tested.