Bibliographie & annexes
Présentation
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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Performances attendues et performances réelles5. Conséquences de dimensionnements inadaptés sur la performance énergétique
5.1 Conséquences d’un sous-dimensionnement
Il existe différentes conséquences liées à un sous-dimensionnement, ou tout du moins d’une mauvaise mise en œuvre du phasage d’un projet échangeur tel que décrit plus amont, dans le cadre d’une installation complète. Les problèmes peuvent provenir, sans être exhaustif :
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d’une mauvaise définition du cahier des charges ;
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d’un mauvais choix technologique ;
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de la sélection d’un point de dimensionnement erroné ;
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du mauvais dimensionnement en lui-même ;
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d’un défaut de fabrication ou d’installation ;
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etc.
Il peut évidemment en découler des conséquences plus ou moins importantes selon le type de problèmes énumérés ci-dessus, allant de la défaillance complète de l’équipement et du système associé, à des problématiques de maintenance, voire des problématiques de sûreté d’installation, ou encore des problématiques purement énergétiques sans entamer la bonne marche du procédé.
L’exemple ci-dessous illustre ce dernier point, par la présentation des conséquences d’un mauvais dimensionnement d’échangeur qui, in fine, n’a pas de conséquences dans la réponse au besoin primaire du procédé, mais qui impacte fortement l’efficacité énergétique de celui-ci.
L’exemple typique est celui d’un système de production de froid à l’aide d’un cycle de Rankine inversé, ou plus communément appelé cycle à compression de vapeur, cycle de production de froid (ou cycle de pompe à chaleur). Ce cycle fait appel de façon générique à au moins deux échangeurs : le condenseur et l’évaporateur. On s’intéresse ici à l’évaporateur de ce cycle de production de froid puisque c’est l’organe qui va permettre de produire du froid, objectif dudit procédé, par exemple refroidir de l’eau de 12 °C à 7 °C à l’aide de l’évaporation d’un fluide frigorigène.
Dans le cadre de ce type d’application, et de façon générale (i.e. sauf cas extrême), le mauvais dimensionnement de l’évaporateur n’aura pas d’impact sur la réponse au besoin, à savoir refroidir l’eau jusqu’à...
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Conséquences de dimensionnements inadaptés sur la performance énergétique
BIBLIOGRAPHIE
-
(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
-
AFNOR – Échangeurs monophasiques liquide/liquide – Procédure d’essai pour la détermination de la performance - NF E38-334 - 2023
-
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
-
AFNOR – Échangeurs thermiques – Méthodes de mesurage des paramètres nécessaires à l’évaluation des performances - NF EN 306 - 1997
-
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
-
AFNOR – Échangeurs thermiques – Procédures d’essai pour la détermination de la performance des récupérateurs de chaleur air/air - NF EN 308 - 2022
-
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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