Etude du cycle de Rankine solaire basée sur la thermodynamique à

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Thomas GROSJEAN
Encadrant : M.Costea, M.Feidt, S.Petrescu
Master MEPP Parcours MFE
Date de soutenance : Jeudi 5 septembre 2013
Etude du cycle de Rankine solaire
basée sur la thermodynamique à
vitesse finie
Universitatea Politehnica din bucuresti (UPB), Bucarest, ROUMANIE

Remerciements
Je tenais à remercier l’Université de Lorraine et l’Universitatea Politehnica de Bucarest de
m’avoir offert l’opportunité de réaliser ce stage dans d’excellentes conditions.
Je remercie aussi Monica COSTEA, Stoian PETRESCU ainsi que Michel FEIDT pour leur aide
précieuse et leur encadrement.

Sommaire
Nomenclature ...................................................................................................................................... 0
1 Introduction ..................................................................................................................................... 1
2 Recherche bibliographique ............................................................................................................. 2
2.1 Bref historique ............................................................................................................................... 2
2.2 La Thermodynamique à Vitesse Finie (TVF) .................................................................................. 3
2.2.1 Introduction à la TVF appliquée à des systèmes simples ................................................ 3
2.2.2 Introduction à la TVF appliquée à des systèmes complexes ......................................... 11
2.3 La Thermodynamique à Temps Finis (TTF) .................................................................................. 16
2.4 L’énergie solaire thermique, état de l’art.................................................................................... 17
2.4.1 Les centrales à tour ....................................................................................................... 17
2.4.2 Les centrales à miroirs cylindro-paraboliques ............................................................... 18
2.4.3 Les centrales Dish-Stirling paraboliques ........................................................................ 20
2.4.4 Les centrales à miroirs de Fresnels ................................................................................ 21
3 Présentation du système ............................................................................................................... 22
4 Etude de l’influence des irréversibilités ........................................................................................ 23
4.1 Equations fondamentales de la TVF ............................................................................................ 24
4.2 Application de la TVF ................................................................................................................... 25
4.3 Expressions analytiques .............................................................................................................. 28
4.4 Influence des irréversibilités ....................................................................................................... 30
4.4.1 Contraintes techniques ................................................................................................. 31
4.4.2 Travail de la pompe ....................................................................................................... 31
4.4.3 Travail de détente ......................................................................................................... 33
4.4.4 Travail du cycle .............................................................................................................. 34
4.4.5 Débit du fluide ............................................................................................................... 36
4.4.6 Rendement du cycle (selon divers paramètres) ............................................................ 37
4.4.7 Dimensionnement de la course de piston et du diamètre de piston en détente ......... 42
4.4.8 Conclusion sur l’influence des irréversibilités ............................................................... 43
4.5 Cycle de référence ....................................................................................................................... 43
4.6 Rendement de cogénération ....................................................................................................... 44
5 Détermination de la surface de miroir .......................................................................................... 45
5.1 Présentation du dispositif ........................................................................................................... 45

5.2 Détermination du débit de fluide, de la chaleur à fournir au système et des grandeurs
caractéristiques du fluide .................................................................................................................. 46
5.3 Bilan thermique au niveau de l’absorbeur .................................................................................. 47
5.3.1 Rayonnement solaire incident sur le tube , ................................................. 49
5.3.2 Transfert par conduction dans la paroi du tube (partie soumise au rayonnement)
, .................................................................................................................................... 50
5.3.3 Transfert par convection entre la paroi interne du tube et le fluide ............................ 50
5.3.4 Transfert par conduction entre la paroi interne et la paroi externe du tube (côté
isolation) , .................................................................................................................... 54
5.3.5 Transfert par convection entre la paroi externe du tube et l’extérieur , .... 54
5.3.6 Transfert par rayonnement entre la paroi externe du tube et l’extérieur , ... 56
5.3.7 Transfer par rayonnement entre la paroi externe de l’isolant et l’extérieur , 56
5.3.8 Transfert par convection entre la paroi externe de l’isolant et l’extérieur , 56
5.3.9 Mise en équation et résolution ..................................................................................... 56
5.3.10 Rendement du concentrateur ....................................................................................... 59
5.4 Résultats ...................................................................................................................................... 59
5.4.1 Données nécessaires aux calculs ................................................................................... 59
5.4.2 Influence de la vitesse de vent sur le rendement du concentrateur ............................ 60
5.4.3 Influence du facteur de concentration sur le rendement du concentrateur ................ 60
5.4.4 Calculs de la surface de miroir ....................................................................................... 62
6 Cycle de Rankine Organique (ORC) ............................................................................................... 63
6.1 Etat de l’art .................................................................................................................................. 63
6.2 Choix du fluides ........................................................................................................................... 66
6.3 Cycles étudiés .............................................................................................................................. 67
6.4 Calculs .......................................................................................................................................... 70
6.4.1 Influence des irréversibilités ......................................................................................... 70
6.4.2 Dimensionnement des miroirs ...................................................................................... 72
6.5 Comparaison................................................................................................................................ 73
7 Evolutions et améliorations possibles ........................................................................................... 75
8 Conclusion ..................................................................................................................................... 76
9 Bibliographie .................................................................................................................................. 77
10 Annexes ..................................................................................................................................... 80
10.1 Corrélations ............................................................................................................................... 80
10.2 Procédures MAPLE .................................................................................................................... 88
10.2.1 Irréversibilités ................................................................................................................ 88