Comprendre l'impact des fluides de travail chimiquement réactifs dans les cycles thermodynamiques

Dans le but d'améliorer les performances des cycles thermodynamiques, de nouveaux fluides de travail chimiquement réactifs sont étudiés. Ces fluides subissent des réactions chimiques équilibrées et des changements de composition tout au long du cycle. Contrairement aux fluides de travail conventionnels inertes, ils permettent la conversion simultanée des énergies thermique et chimique en énergie mécanique. Cette thèse évalue une série de fluides réactifs théoriques, sièges de réactions de dissociation/association, pour être utilisés comme fluides de travail dans des cycles thermodynamiques. Ces fluides, modélisés comme des mélanges de gaz parfaits, décriront successivement un cycle de Brayton et un cycle de Stirling. L'objectif est de bien comprendre et de quantifier les effets thermodynamiques de l'utilisation d'un fluide de travail réactif sur chacune des transformations ainsi que sur l'ensemble du cycle. Les résultats révèlent que, pour une pompe à chaleur basée sur le cycle de Brayton inverse, l'utilisation de fluides de travail chimiquement réactifs peut entraîner une augmentation significative, jusqu'à un facteur trois, du coefficient de performance (COP) par rapport aux fluides inertes. Cependant, les fluides qui atteignent des valeurs élevées de COP sont caractérisés par une faible quantité de chaleur cédée à haute température (à la source chaude). Pour remédier à ce problème, le débit massique du fluide réactif peut être ajusté pour produire une puissance thermique équivalente à celle obtenue par un fluide de travail inerte. A titre d'exemple, une augmentation du débit massique de seulement 10 % peut conduire à doubler la valeur du COP pour certains fluides réactifs. En revanche, en ce qui concerne un cycle moteur de type Stirling, une augmentation du travail spécifique net est possible pour certains fluides réactifs sans pénaliser le rendement. Cependant, il est observé que, pour la plupart des fluides réactifs, le rendement du cycle est affecté par les irréversibilités introduites par les fluides réactifs dans le régénérateur. En considérant une pompe à chaleur fonctionnant selon un cycle de Stirling inverse, l'utilisation de fluides de travail réactifs entraîne une augmentation allant jusqu'à 269 % de la chaleur spécifique libérée à haute température en raison de l'exothermicité de la réaction lors de la compression isotherme, tout en pénalisant le COP de moins de 20 %. Cela rend la pompe à chaleur Stirling réactive attrayante pour les applications où la taille du système est contrainte.