Le cycle organique de Rankine (ORC) convertit la chaleur en énergie mécanique en utilisant des fluides organiques, idéal pour les sources de chaleur basse température.
Transfert de chaleur dans les cycles organiques de Rankine
Les cycles organiques de Rankine (ORC) sont des systèmes thermodynamiques utilisés pour convertir la chaleur en énergie mécanique, en utilisant des fluides organiques à la place de la vapeur d’eau. Ces cycles sont appréciés pour récupérer l’énergie des sources de chaleur de basse température, comme les rejets industriels, les centrales géothermiques ou la biomasse.
Principes de base du cycle de Rankine organique
Le cycle organique de Rankine fonctionne selon quatre étapes principales, similaires à celles d’un cycle de Rankine classique :
- Compression isentropique: Le fluide de travail, généralement dans un état de basse pression, passe par une pompe qui augmente sa pression tout en conservant une entropie constante.
- Chauffage isobare: Le fluide pressurisé est chauffé à pression constante jusqu’à atteindre son état supercritique ou de vapeur sèche dans l’évaporateur.
- Détente isentropique: La vapeur chaude est dirigée vers une turbine où elle se détend, produisant ainsi du travail et baissant sa température et sa pression.
- Refroidissement isobare: La vapeur étendue passe par un condensateur où elle se refroidit à pression constante, retournant à son état liquide.
Transfert de chaleur dans un cycle ORC
Le transfert de chaleur est une étape critique dans le fonctionnement du cycle ORC et se produit principalement dans l’évaporateur et le condensateur :
- Évaporateur:
Dans l’évaporateur, le fluide organique absorbe la chaleur provenant de la source externe. La formule de base pour le transfert de chaleur dans l’évaporateur peut être exprimée par :
Q\_in = m\_f * (h\_vap – h\_liq)
Ici, Q\_in est la chaleur absorbée, m\_f est le débit massique du fluide, h\_vap est l’enthalpie de vaporisation, et h\_liq est l’enthalpie à l’état liquide.
- Condenseur:
Dans le condenseur, le fluide organique cède sa chaleur, se transformant de vapeur à liquide. La chaleur transférée peut être calculée de manière similaire :
Q\_out = m\_f * (h\_vap – h\_liq)
Ici, Q\_out est la chaleur dissipée. Le transfert de chaleur peut être augmenté en améliorant l’efficacité des échangeurs de chaleur utilisés.
Fluide de travail et efficacité thermique
Un choix crucial dans les cycles ORC est celui du fluide de travail. Les fluides organiques tels que les hydrocarbures, les réfrigérants ou les fluides siloxanes sont souvent utilisés car ils possèdent des points d’ébullition inférieurs à celui de l’eau, ce qui les rend idéaux pour les sources de chaleur basse température.
L’efficacité thermique du cycle ORC, exprimée par l’efficacité de Carnot, est influencée par la température des sources de chaleur et de refroidissement :
\eta = \frac{W_{net}}{Q_{in}} * 100%
Où \eta est l’efficacité thermique, W\_{net} est le travail net produit par la turbine, et Q\_{in} est la chaleur absorbée par l’évaporateur.
Applications et avenir des ORC
Les cycles ORC trouvent des applications dans divers domaines :
- Récupération de chaleur industrielle
- Production d’électricité géothermique
- Récupération d’énergie solaire concentrée
- Biomasse et déchets solides municipaux
Avec l’importance croissante des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique, les cycles ORC sont en passe de devenir des acteurs clés dans la réduction des émissions de carbone et dans l’exploitation de sources d’énergie non traditionnelles.
