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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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4. Exemple d'outil et étude de cas
4.1 Plate-forme CERES
La plate-forme CERES (site club ceres) a pour objectif d'optimiser la récupération de la chaleur dans les procédés industriels. Elle met en œuvre numériquement la méthode du pincement entre autres moyens méthodologiques (AINSI QUE l'analyse exergétique).
Les procédés industriels sont décrits à l'aide d'outils de simulation, connectés à la plate-forme : l'outil de simulation utilisé est Dymola ou sa version open source Open Modelica, permettant d'exploiter des modèles en langage Modelica. Une bibliothèque de modèles d'opérations de procédés et de technologies de valorisation de chaleur accompagne la plate-forme.
La plate-forme est développée selon une licence open source et peut accueillir différents algorithmes ou solveurs permettant d'adresser différents problèmes d'optimisation. Pour chacun de ces problèmes, une méthodologie de résolution est intégrée à la plateforme via un algorithme spécifique.
La plate-forme CERES est développée en langage C++ et dispose d'une interface graphique développée sous QT.
Elle est composée comme le montre la figure de quatre modules principaux.
HAUT DE PAGE4.2 Étude d'un procédé brassicole
La méthodologie est appliquée, en utilisant l'outil CERES à un cas industriel : un procédé brassicole (figure ).
Les données nécessaires pour caractériser un flux thermique ont été extraites automatiquement des résultats de simulation de chaque opération du procédé. Chaque flux est caractérisé par sa température d'entrée et de sortie, sa puissance thermique, l'écart de température minimal pour un échange thermique et son débit-masse.
L'extraction des données permet d'obtenir le tableau de flux et de tracer les courbes composites (figure ) et grande courbe composite (figure ).
Des utilités sont déjà présentes sur le site :
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une chaudière produisant de la vapeur surchauffée à 173 oC, se condensant à 123 oC ;
-
un...
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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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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Plate-forme CERES (version pour Windows), [Logiciel] CES, ARMINES http://www.club-ceres.eu
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