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RÉSUMÉ
La méthode du pincement vise à aider à l’identification et la quantification des gisements d’énergie thermique potentiellement récupérables dans les procédés de transformation mais aussi à l’identification des technologies à appliquer pour mener à bien cette récupération et ainsi favoriser leur intégration aux systèmes énergétiques industriels. Cette méthode, initialement graphique par la représentation sous forme de courbes composites des flux du procédé, s’est complexifiée par les travaux successifs pour répondre aux enjeux économiques, technologiques et environnementaux. L’utilisation des méthodes numériques permet la synthèse plus réaliste du réseau d’échangeur de chaleur et l’intégration de critère exergétiques pour la sélection des utilités.
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Assaad ZOUGHAIB : Responsable scientifique, Centre d'efficacité énergétique des systèmes (CES) - Ingénieur des mines Paristech
INTRODUCTION
La raréfaction progressive des énergies fossiles, l'accroissement générateur de changement climatique des émissions des gaz à effet de serre, ainsi que les impacts sanitaires et environnementaux des émissions polluantes, ont déjà modifié profondément les paradigmes des recherches en énergétique. Les systèmes énergétiques sont réexaminés et reconçus en vue d'améliorations radicales de leur efficacité énergétique et environnementale. D'autres critères essentiels comme les coûts, la compacité, l'étanchéité, la flexibilité et la contrôlabilité amènent à des développements nouveaux avec des niveaux d'inté- gration systèmes successifs.
La méthode du pincement permet l'analyse systémique des opérations thermiques des procédés industriels. Cette méthode, qui se base sur le premier principe de la thermodynamique, est à l'origine une méthode graphique qui permet d'identifier l'énergie minimale requise d'un ensemble d'opérations de chauffage et de refroidissement tout en indiquant le potentiel de récupération de chaleur direct. L'exploitation du deuxième principe de la thermodynamique permet graphiquement d'identifier les meilleures options techniques pour assurer le chauffage et le refroidissement en réduisant la destruction d'exergie.
L'utilisation des méthodes mathématiques et numériques d'optimisation permet d'élargir le champ d'application de cette méthode pour introduire les aspects technologiques et économiques.
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MOTS-CLÉS
Réseau d'échangeurs Récupération d'énergie Pompe à chaleur Cogénération Echangeur de chaleur Cycle organique de Rankine
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3. Construction du réseau d'échangeurs
Les étapes précédentes, les analyses sur les courbes composites et sur la grande courbe composite sont réalisées en supposant que l'énergie minimale requise est atteinte.
Cette énergie minimale est atteinte pour un schéma d'échange de chaleur entre les flux chauds et froids. La conception du réseau d'échangeurs de chaleur consiste à apparier les flux afin de réaliser l'objectif de récupération directe entre les flux chauds et les flux froids. Cela conduit au dimensionnement des échangeurs nécessaires et de déterminer leur nombre.
Dans un premier temps, on vérifie la faisabilité pratique de ces[nbsp ]échanges (compatibilité, faisabilité technique, aspects géographiques...).
Une deuxième étape vérifie la faisabilité économique à partir de fonctions de coûts d'échangeurs. Les options de construction sont multiples :
-
plusieurs échangeurs par flux ;
-
possibilité de scinder le flux en deux ou plusieurs parties ;
-
réalisation de deux réseaux d'échangeurs distincts en créant deux sous-systèmes séparés par le pincement ;
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minimisation du nombre d'échangeurs, de la surface totale, du coût d'investissement ou le coût global combinant le coût d'investissement et le coût de fonctionnement...
La faisabilité technologique est également un point important. Dans certains cas, l'échangeur de chaleur identifié n'est pas faisable :
-
pour des raisons d'incompatibilité (physique, chimique ou biologique) entre les flux ;
-
parce qu'il constitue un risque pour la qualité et le procédé et doit être évité ;
-
car la technologie permettant de réaliser l'échange n'existe pas et constitue un verrou technologique (exemple de récupération de chaleur sur des solides).
La construction du réseau d'échangeurs est un problème combinatoire, linéaire ou non, sous contraintes multiples, éventuellement multi-objectif. Les méthodes de construction sont nombreuses dans la littérature. De manuelles, elles ont rapidement été informatisées. L'accroissement rapide des puissances de calcul a permis de complexifier ces méthodes.
Ainsi, l'algorithme absolu est une utopie. Comme dans toute modélisation, des hypothèses simplificatrices doivent être prises et les résultats doivent être étudiés...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LINNHOFF (B.), HINDMARSH (E.) - The pinch design method for heat exchanger networks. - Chemical Engineering Science, vol. 38, Issue 5, p. 745-763 (1983).
-
(2) - THIBAULT (F.), ZOUGHAIB (A.), JUMEL (S.) - An exergy-based LP algorithm for heat pump integration in industrial processes. - In The Proceedings of ECOS2013 conference.
-
(3) - KRAVANJA (S.), SORZAK (A.), KRAVANJA (Z.) - Efficient multilevel MINLP strategies for solving large combinatorial problems in engineering. - Optimization and Engineering, 4, p. 1389-4420 (2003).
-
(4) - YEE (T.F.), GROSSMANN (I.E.) - Simultaneous optimization models for heat integration. Heat exchanger network synthesis. - Computers and Chemical Engineering, 14, p. 1165-1184 (1990).
-
(5) - GROSSMANN (I.E.) - Problems in the optimum design of chemical plants. - Ph. D. thesis, Imperial College, University of London (1977).
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ANNEXES
Plate-forme CERES (version pour Windows), [Logiciel] CES, ARMINES http://www.club-ceres.eu
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