Bibliographie & annexes
Présentation
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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Pinch analysis methodology aims to guide engineers to indentify and quantify potential energy recovery in industrial processes. It helps also to design the needed systems to achieve technically the energy recovery and their integration into processes. This methodology, initially graphically based on the construction of composite curves, got complexified through successive works to answer economical, technical and environemental concerns. The use of numerical optimization tools allows to design more realistic heat exchanger networks and the integration of exergy as a criterion for utilities selection.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
heat exchanger network | energy recovery | heat pumps | combined heat and power | heat exchanger | organic Rankine cycle
DOI (Digital Object Identifier)
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Fondements de la méthode du pincement5. Conclusion et perspectives
La méthode du pincement a permis déjà l'amélioration de l'efficacité énergétique d'un nombre important de procédés industriels (principalement en pétrochimie). Cette méthode simple d'un point de vue conceptuel donne des indications précieuses pour les ingénieurs des procédés. La complexité des contraintes, des objectifs et la diffusion des méthodes numériques d'optimisation aboutissent à des formulations mathématiques plus complexes que la méthode originelle mais gardent son esprit. Ces algorithmes intégrés dans des plates-formes logicielles (exemple CERES) rendent plus accessible la méthodologie et permettent une extension de cette technique à l'optimisation de procédés dans des secteurs où elle n'avait pas été appliquée.
Les besoins d'efficacité énergétique de plus en plus criants conduisent à élargir la méthodologie pour pouvoir traiter des procédés non continus. La méthode du pincement ne permet pas dans ce cas d'exploiter le potentiel de récupération d'énergie global du procédé. L'introduction du stockage d'énergie est une solution pour rendre disponible une grande partie du potentiel de valorisation.
Le même type d'algorithme que dans le cas des procédés continus peut être utilisé. Cependant, aux axes énergie-température s'ajoute une troisième dimension qui est le temps. Des travaux ont démarré sur ce sujet comme par exemple dans .
À une échelle plus large, le développement d'une méthodologie permettant l'aide à la conception de territoires industriels intégrés comportant également des moyens de production d'énergie renouvelable et des moyens de stockage d'énergie inhérents ou non aux procédés industriels du territoire est une perspective qui prolonge ce travail.
L'analyse proposée est aussi par définition une analyse multi-échelles et multi périodes. La modélisation des systèmes en question est une modélisation modulaire permettant d'adapter le détail de modélisation à la maille d'analyse. La prise en compte des moyens de transport de la chaleur et des moyens de stockage d'énergie permettront d'intégrer les systèmes de nature différente...
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Conclusion et perspectives
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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