The Organic Rankine Cycle (ORC) is widely used in industry to recover low-grade heat. Recently, some research on the ORC has focused on micro power production with new low global warming potential (GWP) replacement working fluids. However, few experimental tests have investigated the real performance level of this system in comparison with the ORC using classical fluids. This study concerns the experimental analysis and comparison of a compact (0.25 m³) Organic Rankine Cycle installation using as working fluids the Novec^TM649 pure fluid and a zeotropic mixture composed of 80% Novec^TM649 and 20% HFE7000 (mass composition) for low-grade waste heat conversion to produce low power. The purpose of this experimental test bench is to study replacement fluids and characterize them as possible replacement fluid candidates for an existing ORC system. The ORC performance with the pure fluid, which is the media specifically designed for this conversion system, shows good results as a replacement fluid in comparison with the ORC literature. The use of the mixture leads to a 10% increase in the global performance of the installation. Concerning the expansion component, an axial micro-turbine, its performance is only slightly affected by the use of the mixture. These results show that zeotropic mixtures can be used as an adjustment parameter for a given ORC installation and thus allow for the best use of the heat source available to produce electricity.

The organic Rankine cycle (ORC) technology is an efficient way to convert low-grade heat from renewable sources or waste heat for power generation. The partial evaporating organic Rankine cycle (PEORC) can be considered as a promising alternative as it can offer a higher utilization of the heat source. An experimental investigation of a small ORC system used in full or partial evaporation mode is performed. First characterized in superheated mode, which corresponds to standard ORC behavior, a semi-empirical correlative approach involving traditional non-dimensional turbomachinery parameters (specific speed, pressure ratio) can accurately describe one-phase turbine performance. In a second step, two-phase behavior is experimentally investigated. The efficiency loss caused by the two-phase inlet condition is quantified and considered acceptable. The turbine two-phase operation allows for an increase in the amount of recovered heat source. The ability to operate in two phases provides a new degree of flexibility when designing a PEORC. The semi-empirical correlative approach is then completed to take into account the partially evaporated turbine inlet condition. The qualitative description and the quantitative correlations in the one-phase and two-phase modes were applied to different pure working fluids (Novec649^TM, HFE7000 and HFE7100) as well as to a zeotropic mixture (Novec649^TM/HFE7000).

Les cycles de Rankine à fluides organiques (de l’anglais Organic Rankine Cycle, ORC) sont des machines thermodynamiques qui permettent de convertir de l’énergie thermique, notamment à basse température (inférieure à 120°C dans notre cas), en énergie électrique. Habituellement ce type de cycle thermodynamique utilise un fluide pur comme fluide de travail ; ici notre travail a également porté sur l’utilisation d’un mélange de plusieurs fluides. En effet, un type spécifique de mélange, les mélanges zéotropes, est pressenti pouvoir permettre un accroissement des performances des cycles ORC. Cependant, peu d’études expérimentales sur un cycle complet ont permis de confirmer cette tendance. Cette thèse a pour but d’étudier expérimentalement le comportement d’une machine thermodynamique avec différents fluides de travail (purs ou mélanges), et vise à en optimiser les performances. Ces travaux s’inscrivent également dans un contexte général de renouvellement de fluides frigorigènes, plus respectueux de l’environnement, dans le but de remplacer les fluides actuellement utilisés dans les machines thermodynamiques tels que les ORC.Le présent document dresse en premier lieu une présentation des cycles organiques de Rankine et de la spécificité apportée par l’utilisation des mélanges zéotropes au regard des questions énergétiques et environnementales actuelles. Trois fluides purs, le Novec649, le HFE7000 et le HFE7100, ont été étudiés, ainsi que des mélanges de Novec649 et de HFE7000 de différentes proportions massiques. Tous ces fluides possèdent un indice de destruction de la couche d’ozone (ODP) nul et un faible indice de réchauffement climatique (GWP) en comparaison des fluides classiquement utilisés. Plusieurs campagnes expérimentales ont été menées sur un cycle ORC complet, permettant de valoriser une source de chaleur d’une dizaine de kilowatts thermiques à une température située entre 100°C et 110°C sur une configuration classique d’ORC, ainsi que sur une nouvelle architecture. Les essais ont été analysés à l’échelle du système global et à l’échelle des composants, préchauffeur, évaporateur, condenseur et turbine. Une nouvelle méthode de mesure de la composition circulante des mélanges a été conçue, développée et mise en pratique. Des modèles physiques des composants, reposant sur une approche semi-empirique, ont également été élaborés et programmés dans le logiciel EES couplé à la base de propriétés thermodynamiques REFPROP. Ces modèles (corrélations d’échange thermique diphasique, rendement isentropique, …) sont applicables à des fluides purs et des mélanges zéotropes de différentes compositions et ont été validés sur les mesures issues des campagnes expérimentales. L’analyse comparative globale de ces résultats a permis une meilleure compréhension du comportement des mélanges zéotropes, avec une possibilité d’optimisation des performances du cycle ORC grâce à eux.