Bibliographie & annexes
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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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Construction du réseau d'échangeurs2. De l'énergie minimale requise à l'exergie minimale requise
La construction des courbes composites et de la grande courbe composite permet d'étudier le procédé et d'identifier l'énergie minimale requise. Il faut ensuite choisir et dimensionner les utilités nécessaires pour répondre aux besoins résiduels de chaud et de froid.
L'ensemble des besoins thermiques calorifiques et frigorifiques des procédés industriels est assuré respectivement par des utilitaires chauds (chaudière, cogénérateur, pompes à chaleur...) et par des utilitaires froids (tours aéro-réfrigérantes, groupes frigorifiques...).
Le coût total de fonctionnement des utilitaires est certainement fonction des technologies choisies mais aussi des niveaux de températures de l'énergie thermique délivrée correspondant au besoin du procédé. Généralement, plus l'écart entre la température du procédé et la température de l'utilitaire est grand, plus l'exergie est détruite [BE 8 015]. Dans la plupart des cas, le coût d'exploitation augmente quand l'exergie est détruite.
Minimiser la destruction d'exergie par les actions de chauffage et de refroidissement est un objectif principal. Pour une opération thermique, le calcul de l'exergie mise en jeu dépend essentiellement du niveau de température des utilités chaudes et froides employées pour réaliser la transformation du produit.
On distingue trois approches distinctes :
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la première, essentiellement graphique explicitée dans ce paragraphe , est basée sur l'exploitation de courbes obtenues par la méthode du pincement ;
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la seconde approche fait appel à des formulations mathématiques du problème (§ ) ;
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enfin, une troisième approche, hybride, utilise la méthode du pincement et l'analyse mathématique dans des algorithmes de résolution fortement...
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De l'énergie minimale requise à l'exergie minimale requise
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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