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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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De l'énergie minimale requise à l'exergie minimale requiseArticle inclus dans l'offre
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1. Fondements de la méthode du pincement
Les méthodologies d'intégration énergétique se sont fortement développées dans les années 1980 dans l'industrie et plus particulièrement dans l'industrie chimique. Ces méthodologies, et plus particulièrement la méthode du pincement, a permis d'identifier des sources de récupération d'énergie interne aux procédés et de réduire substantiellement l'utilisation d'utilités chaudes ou froides.
La méthode du pincement originelle, pinch method, a été développée par Linnhoff et Hindmarsh . Basée sur la description et l'analyse de l'ensemble des flux de chaleur présents dans un procédé industriel, elle a ensuite été étendue sous le nom d'analyse de pincement, pinch analysis, pour englober dans l'étude l'ensemble des procédés et des utilitaires.
La méthode du pincement est essentiellement graphique. Le fait de visualiser rapidement les flux d'un site industriel et les opportunités de récupération est un des points forts de la méthode. Une fois les flux de chaleur identifiés, la méthode du pincement permet notamment de définir immédiatement l'énergie minimale requise (EMR). C'est la quantité minimale d'énergie calorifique et frigorifique que doivent fournir les utilitaires si tout le potentiel de récupération d'énergie interne au procédé a été valorisé.
1.1 Construction de la cascade thermique
On appelle source (ou flux chaud) un fluide qui doit être refroidi et puits (ou flux froid) un fluide qui doit être chauffé dans le cadre du procédé. Ces besoins sont décrits par le débit massique et la capacité thermique massique du fluide ainsi que ses températures à l'entrée T e et à la sortie T s de l'opération unitaire à l'aide de l'équation :
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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