Cubic and higher order equations of state for fluid mixtures : development, parameterization and validation through industrial energy conversion applications
Équations d’état cubiques et modèles d’ordre supérieur pour décrire les mélanges fluides : développement, paramétrage et validation sur des procédés industriels de conversion d’énergie
Résumé
One of the strategies to achieve the target of 32% share of EU energy consumption coming from renewable energy sources (RES) by 2030 is to increase the use of distributed energy systems (DES). The promotion of DES has opened the way to different technologies such as combined heat and power (CHP) or combined cooling, heating and power (CCHP) systems. Recently, a novel CCHP cycle, operating with two-phase expanders and compressors, has been designed. Such a cycle enables the development of an all-in-one device capable of producing electric, heating and cooling power with a single working fluid. Among the design challenges of this novel CCHP system, the working fluid selection appears as a key stage of its development. In this thesis a methodology for the selection of promising working fluids for Combined Cooling, Heating and Power (CCHP) applications has been presented. This study has intended to provide an insight about working fluids that should be considered for further theoretical and experimental investigations. A key stage of the development of the proposed methodology relied on the study of cubic equations of state for pure compounds and mixtures in with the purpose of enhancing their accuracy on the estimation of saturation and caloric properties. Throughout this work it has been showed that two major concepts are necessary for the development of cubic equations of state (CEoS): the consistency and volume-translation concepts. The implementation of these concepts along with a sound parameterization method leads to highly accurate CEoS such as the translated-consistent Peng-Robinson (tc-PR) EoS. In order to safely extend CEoS to mixtures addressing the question of mixing rules is capital. The research work of this thesis introduced advanced mixing rules (EoS/a_res) derived by equating the residual part of the excess Helmholtz energy from an EoS and from an explicit activity-coefficient model. Finally, a database search methodology has been implemented to screen about 60 000 species included in the DDB, the DIPPR and the NIST TDE 103b databases. The screening approach considered thermodynamic, process-related, constructional, safety and environmental constraints. The screening coupled with the performance evaluation have demonstrated that fluids such as HFC-152 or HCFO-1233zd(E) have a good potential for CCHP applications.
L'une des stratégies visant à atteindre l'objectif de 32 % de la consommation d'énergie de l'UE provenant de sources d'énergie renouvelables (SER) d'ici 2030 consiste à accroître l'utilisation des systèmes énergétiques décentralisé (DES). La promotion des DES a ouvert la voie à différentes technologies telles que la production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) ou les systèmes de production simultanée de froid, de chaleur et d'électricité (CCHP). Récemment, un nouveau cycle CCHP, fonctionnant avec des turbines et des compresseurs permettant l’opération dans le domaine diphasique, a été conçu. Un tel cycle permet le développement d'un dispositif capable de produire de l'énergie électrique, de la chaleur et du froid simultanément avec un seul fluide de travail. Parmi les défis de conception de ce nouveau système CCHP, la sélection du fluide de travail apparaît comme une étape clé de son développement. Dans cette thèse, une méthodologie pour l’optimisation de fluides de travail pour les applications de production simultanée de froid, de chaleur et d'électricité a été présentée. Cette étude a pour but de fournir un aperçu des fluides de travail qui devraient être considérés pour des investigations théoriques et expérimentales supplémentaires. Une étape clé du développement de la méthodologie proposée reposait sur l'étude des équations d'état cubiques pour les composés purs et les mélanges dans le but d'améliorer leur précision sur l'estimation des propriétés de saturation et caloriques. Tout au long de ce travail, il a été démontré que deux concepts majeurs sont nécessaires au développement des équations d'état cubiques (CEoS) : les concepts de cohérence et de translation volumique. La mise en œuvre de ces concepts, ainsi qu'une méthode de paramétrage solide, conduit à des CEoS très précises telles que l'EoS Peng-Robinson translaté-cohérente (tc-PR). Afin d'étendre de façon fiable les CEoS aux mélanges, la question des règles de mélange est capitale. Le travail de recherche de cette thèse a introduit des règles de mélange avancées (EoS/ ) dérivées en égalant la partie résiduelle de l'énergie de Helmholtz d’excès d'une EoS et d'un modèle de coefficient d'activité. Enfin, une méthodologie de recherche de base de données a été mise en œuvre pour passer en revue environ 60 000 espèces incluses dans les bases de données DDB, DIPPR et NIST TDE 103b. L'approche de « screening » a pris en compte les contraintes thermodynamiques, liées aux procédés, de construction, de sécurité et environnementales. Le « screening » couplé à l'évaluation des performances du cycle a démontré que les fluides tels que le HFC-152 ou le HCFO-1233zd(E) ont un potentiel prometteur pour les applications CCHP.
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