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Informations pédagogiques

Contenu (FR)

UE : Cycle ORC et turbines

Le cycle de Rankine à fluide organique (ORC) permet de convertir de la chaleur à basse et moyenne température en énergie mécanique et thermique en remplacement l’eau dans le cycle de Rankine classique par un fluide organique, typiquement un réfrigérant dont la température d’évaporation est réduite (inférieur à 100°C).

Ce cours propose une approche théorique et pratique (numérique python, CoolProp, CFD starCCM+) pour l’étude du cycle ORC de valorisation de chaleur. La nature et le comportement des fluides de travail, gaz denses, gaz réels sont pris en comptes à l’aides d’équations d’équations d’état avancées. La similitude appliquée au fonctionnement de la turbine permet de rechercher les points de fonctionnement adaptés pour une turbine connue lorsqu’on change de fluides ou de conditions opératoires.

Dans ce cours, les étudiants étudient le cycle de Rankine organique (ORC) à travers une approche à la fois théorique et pratique. L’analyse porte sur le comportement thermodynamique du cycle ORC, en intégrant les effets des gaz réels et les principes de similitude appliqués à la conception et au fonctionnement des turbines.

Les étudiants seront amenés à :

• Analyser le cycle thermodynamique ORC et les spécificité des fluides utilisés

• Étudier les effets des gaz réels et des lois de similitude

• Définir les conditions de fonctionnement optimales de la turbine pour différents fluides et conditions opératoires

• Réaliser une étude paramétrique par simulation CFD pour évaluer les performances de la turbine dans différentes conditions

Ce cours fait le lien entre la théorie des cycles thermodynamique et la similitude des turbomachines, en mettant l’accent sur les outils de simulation modélisation et simulation numérique.

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Content (EN)

Course: ORC Cycle and Turbines

The Organic Rankine Cycle (ORC) enables the conversion of low- to medium-temperature heat into mechanical and thermal energy by replacing water in the conventional Rankine cycle with an organic working fluid, typically a refrigerant with a low boiling point (below 100°C).

This course offers a theoretical and practical approach (Python-based numerical methods, CoolProp, and CFD using Star-CCM+) to the study of heat recovery through the ORC cycle. The nature and behavior of the working fluids, including dense gases and real gases, are taken into account using advanced equations of state. The concept of similarity, applied to turbine operation, is used to determine suitable operating points for a known turbine when changing working fluids or operating conditions.

In this course, students study the ORC cycle through both theoretical and applied methods. The focus is on the thermodynamic behavior of the cycle, incorporating the effects of real gases and similarity principles as they relate to turbine design and performance.

Students will:

• Analyze the thermodynamic ORC cycle and the specific properties of the working fluids

• Study the effects of real gases and the laws of similarity

• Determine the optimal operating conditions for a turbine with various fluids and operating scenarios

• Perform a parametric study using CFD simulations to evaluate turbine performance under different conditions

This course bridges thermodynamic cycle theory and turbomachinery similarity, with an emphasis on numerical modeling and simulation tools.

Mots clés (FR)

ORC, turbine, CFD, cycle thermodynamique, gaz réel

Keywords (EN)

ORC, turbine, CFD, thermodynamic cycle, real gas

Préréquis (FR)

mécanique des fluides, thermodynamic, python

Pre-requisites (EN)

fluid mechanics, thermodynamique, python

Modalité d'evaluation

1 test (40 %), 1 projet (60 %), l’évaluation du projet se fait en séances, sur le travail réalisé et le rapport final (rendu en binôme possible)

Assessment

1 test (40 %), 1 project (60 %), the projec evaluation is carried out during sessions, on work produce, and with the final report (possible to submit in group of 2 students)

Acquis d'Apprentissage Visés

analyse du cycle ORC de valorisation de chaleur (python, CoolProp) Similitude des turbomachines CFD des turbomachines (starCCM+)

Learning outcomes

Analysis of the ORC heat recovery cycle (Python, CoolProp) Turbomachinery similarity Turbomachinery CFD (Star-CCM+)

Bibliographie

M. Deligant, E. Sauret, Q. Danel, and F. Bakir. Performance assessment of a standard radial turbine as turbo expander for an adapted solar concentration ORC. Renewable Energy, 2020. DOI:10.1016/j.renene.2018.10.019

Symes, R., Djaname, T.-N., Deligant, M., Sauret, E. Design and optimization of a radial inflow turbine for use with a low temperature ORC Energies, 14, 2021. DOI:10.3390/en14248526

Deligant, M., Huebel, M., Djaname, T.-N., Ravelet, F., Specklin, M., Kebdani, M. Design and off-design system simulation of concentrated solar super-critical CO2 cycle integrating a radial turbine meanline model. Energy Reports, 8, 2022. DOI:10.1016/j.egyr.2022.07.141

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