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RÉSUMÉ
Cet article explore le rôle clé des échangeurs de chaleur dans les processus industriels, analysant leur position en tant que composants essentiels et leur impact sur le principe de performance énergétique. Afin de bien comprendre l’influence du composant « échangeur », du fait de son importance au sein de nombreux procédés industriels, une revue synthétique des domaines d’application et de la finalité de cet organe est présentée. Cette dernière met l'accent sur le choix technologique et la bonne mise en œuvre du phasage d’un projet de conception d’un échangeur pour optimiser l'efficacité énergétique des procédés. Les bonnes pratiques de dimensionnement sont ensuite détaillées, tout comme les conséquences de dimensionnement inadaptés, et l'évaluation réelle des performances, le tout illustré par des exemples concrets. Enfin, l'article explore les tendances innovantes dans le cadre de l’optimisation et l’amélioration des performances des échangeurs de chaleur.
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Christophe WEBER : Directeur général, Ingénieur thermicien R&D et Études - Docteur en Énergétique, Thermique, Combustion de l’université de Nantes - GRETh – Groupement pour la Recherche sur les Échangeur Thermiques - NeoTherm Consulting SAS, La Motte-Servolex, France
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Quentin BLONDEL : Ingénieur thermicien R&D et Études - Docteur en Mécanique des fluides, procédés, énergétique de l’université Grenoble Alpes - GRETh – Groupement pour la Recherche sur les Échangeurs Thermiques, La Motte-Servolex, France
INTRODUCTION
Dans le contexte énergétique actuel, la hausse des prix de l’énergie et la raréfaction des sources d’énergie fossile poussent la société industrielle d’aujourd’hui et de demain à devenir de plus en plus performante aussi bien sur les aspects d’impact environnemental que sur sa maîtrise de l’énergie. Ce dernier point, essentiel aujourd’hui, directement lié dans le même temps aux questions économiques et financières des industriels, conduit ces derniers dans une recherche de meilleurs rendements de leurs systèmes et procédés, ainsi qu’à une diminution de leur consommation énergétique devenue indispensable.
L’objectif de performance énergétique par la maîtrise et la rationalisation de l’énergie pour une meilleure efficacité passe en particulier par l’optimisation des différents organes et composants techniques des procédés, notamment des échangeurs de chaleur qui constituent un des éléments majeurs dans les procédés et systèmes énergétiques. Sans conteste, l’échangeur de chaleur (ou échangeur thermique) occupe une place primordiale et indispensable dans tous les systèmes thermiques, qu’il soit pour un usage industriel (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire (IAA), production d’énergie), pour l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial, le bâtiment résidentiel ou tertiaire, etc. En effet, de manière générale, on s’accorde à dire que plus de 90 % de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, c’est donc un élément omniprésent et de fait essentiel de la stratégie de performance énergétique industrielle.
L’optimisation du composant « échangeur » et de ses performances entraînera de fait une optimisation des procédés comprenant cet élément, et factuellement une amélioration des performances énergétiques du système global. Cependant, la notion de performance énergétique, intimement liée entre composants et systèmes, n’est pas toujours simple à appréhender et définir. Il s’agit là pourtant d’une caractérisation nécessaire afin d’être en mesure d’influer sur cette dernière dans un but d’optimisation, et ceci d’autant plus au regard de la pluralité d’emplois et d’applications des échangeurs de chaleur.
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MOTS-CLÉS
bonnes pratiques de dimensionnement Phasage d'un projet composant et système choix technologique
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8. Conclusion
La notion de performance énergétique, et à plus forte raison de bonne performance d’un composant et d’un système industriel, est un principe subjectif. En effet, cette notion peut correspondre à des définitions diverses en fonction du domaine d’application et du besoin du composant et/ou système. De fait, dans le cas du composant échangeur de chaleur, la bonne performance énergétique de ce dernier, influençant en grande partie celle du procédé industriel l’intégrant, va dépendre :
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en premier lieu de la finalité d’emploi de l’échangeur : selon que ce composant répond à un besoin de fonctionnement du procédé global primaire (primordial à la bonne marche du procédé) ou secondaire (annexe au procédé et donc non indispensable pour la bonne marche de celui-ci) ;
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dans un second temps, de l’ensemble des paramètres que l’on souhaite atteindre par/grâce à l’échangeur de chaleur (contraintes de procédés annexes, notions de coûts, notions de maintenance…).
Ainsi, les contraintes et besoins de niveau de performance ne seront pas les mêmes pour un échangeur en fonction de son utilisation ; par exemple, pour permettre à un véhicule spatial de fonctionner ou pour récupérer de la chaleur fatale d’un incinérateur de déchets.
Les différentes étapes d’un projet de mise en place d’un échangeur, allant de la définition du cahier des charges du composant jusqu’à l’installation et au test en fonctionnement réel de celui-ci, doivent être correctement respectées pour pouvoir atteindre les bonnes performances souhaitées. En effet, chacune des phases de ce projet peut impacter les suivantes et aboutir à des sous-performances d’un échangeur initialement dimensionné convenablement.
Les nombreux critères amenant au choix technologique d’un échangeur ainsi qu’à son dimensionnement adapté demandent des connaissances techniques appropriées au domaine et à l’application de ce composant ; ceci non seulement à propos de l’échangeur en lui-même, mais également en ce qui concerne le système au sein duquel il sera intégré, ainsi qu’au sujet des différents paramètres externes pouvant avoir un impact sur ce dernier (marché des échangeurs, marché du domaine d’application, fournisseurs, matériaux…).
Le principe de marge de surdimensionnement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GICQUEL (R.) - Cycles organiques de Rankine COR. - In Physique énergétique (2016). – 10.51257/a-v1-be8048
-
(2) - ADEME - Chaleur Fatale - (2017).
-
(3) - DUMINIL (M.), DOMBLIDES (J.-P.) - Théorie des machines frigorifiques – Machine à compression mécanique – Cycles multiétagés. - In Froid industriel (2013). – 10.51257/a-v1-be9732
-
(4) - BLONDEL (Q.) - Étude et optimisation énergétique des mélanges zéotropes pour les cycles thermodynamiques de Rankine - (2021).
-
(5) - MAES (P.) - Réseaux de chaleur – Biomasse, géothermie, récupération et réseaux de froid - In Techniques du bâtiment : le second œuvre et les lots techniques (2014). – 10.51257/a-v1-tba2675
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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AFNOR – Échangeurs monophasiques liquide/liquide – Procédure d’essai pour la détermination de la performance - NF E38-334 - 2023
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AFNOR – Échangeurs thermiques – Définitions de la performance des échangeurs thermiques et procédure générale d’essai pour la détermination de la performance de tous les échangeurs thermiques - NF EN 305 - 1997
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AFNOR – Échangeurs thermiques – Méthodes de mesurage des paramètres nécessaires à l’évaluation des performances - NF EN 306 - 1997
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AFNOR – Échangeurs thermiques – Guide de préparation des notices d’installation, de fonctionnement et de maintenance nécessaires au maintien des performances de tous les types d’échangeurs thermiques - NF EN 307 - 1998
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AFNOR – Échangeurs thermiques – Procédures d’essai pour la détermination de la performance des récupérateurs de chaleur air/air - NF EN 308 - 2022
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AFNOR – Échangeurs thermiques – Échangeurs eau/eau pour chauffage urbain – Procédures d’essai pour...
ANNEXES
GUO (X.) – Échangeur thermique flexible destine à être disposé dans un fluide extérieur en mouvement, comprenant un assemblage de sondes thermiques flexibles – WO2020049233A1 (2020).
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