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Mai 2015 CETIAT – EDF - U.N.G.D.A Technologies de récupération de chaleur 2/46

Mai 2015 CETIAT – EDF - U.N.G.D.A Technologies de récupération de chaleur 2/46 SOMMAIRE 1. Les échangeurs de chaleur 3 Échangeurs à plaques 3 Échangeurs rotatifs 6 Échangeurs spiralés 8 Échangeurs tubulaires 10 L’encrassement des échangeurs 12 2. Les systèmes permettant de relever ou d’abaisser la température 20 Compression Mécanique de Vapeur 20 Ejecto-compresseur 23 Pompes à chaleur industrielles" 29 Pompes à chaleur hybride à compression et absorption 32 Les thermo transformateurs (PAC à absorption de type II) 34 3. Les systèmes de transformation de chaleur en une autre forme d’énergie 37 Machine thermique à Cycle Organique de Rankine 37 4. Les stockages de chaleur 40 Stockage chaleur sensible 40 Stockage par accumulateur de vapeur 44 Échangeurs à plaques 3/46 1. Les échangeurs de chaleur Échangeurs à plaques Objectifs Les échangeurs à plaque sont largement répandus dans l'industrie, en particulier dans l'industrie agro- alimentaires : leurs applications sont multiples pour des échanges eau/eau, ou air/air. Principes Descriptif des échangeurs à plaques conventionnels Le concept des échangeurs à plaques date de début 1900. Ces échangeurs ont été étudiés à l’origine pour répondre aux besoins de l’industrie laitière, puis utilisés par la suite dans diverses branches de l’industrie (chimie, nucléaire…). L’échangeur à plaques est constitué de plaques parallèles brasées ou assemblées par serrage (avec des joints ou pas). Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides. Les plaques ne sont pas plates, mais possèdent une surface ondulée selon un schéma bien précis afin de créer un flux turbulent synonyme d'un meilleur transfert de chaleur. Schéma de principe - crédit CETIAT Caractéristiques techniques des échangeurs à plaques conventionnels Plaques et joints Plaques brasées Construction Empilement de plaques et de joints Empilement de plaques brasées Serrage Pas de joint Matériaux Plaques : acier inox, titane, etc. Joints : nitrile rubber, hypalon, neoprene Limites de fonctionnement Température De -35 °C à +200 °C Brasé Cu : 225 °C Ni : 400 °C Pression Jusqu’à 25 bar, test à 40 bar Brasé Cu : 30 bar Ni : 16 bar Débits Jusqu’à 3 500 m3/h (une entrée) et 5 000 m3/h (double port) Surface d’échange De 0,02 à 4,45 m2/plaque Écart de température 1 K Tableau de synthèse – crédit CETIAT Échangeurs à plaques 4/46 Certains échangeurs à plaques brasées (par exemple Alfarex de la société Alfa Laval) peuvent supporter des pressions plus élevées (> 40 bar) sur un intervalle de température plus étendu (-50°C à 400 °C). Maturité Largement diffusée dans différents secteurs industriels, en particulier le secteur agro-alimentaire. Potentiels d'application Ce type d’échangeur compact convient particulièrement pour la récupération de chaleur à partir des effluents liquides ou en changement de phase, pour le chauffage de l’eau. Secteurs industriels Les échangeurs à plaques conventionnels peuvent être utilisés en réfrigération, pompe à chaleur, agro- alimentaire, procédés et pétrochimie. Avantages  Un échangeur à plaques pèse de 3 à 5 fois moins qu’un échangeur tube et calandre équivalent.  Grande surface de contact, échangeur compact.  Échangeur peu coûteux Inconvénients  Pertes de charge  Écart de température limité (pour éviter dilatation des plaques) Offre constructeurs Exemple de fabricants fournisseurs de la technologie ALFA LAVAL BARRIQUAND CIAT GEA SWEP WILTEC Autres échangeurs à plaques Il existe aussi plusieurs types d’échangeurs à plaques, présentant de hautes performances et dits « hybrides » car ils allient les caractéristiques de l’échangeur à plaques conventionnel à celles d’autres types (par exemple tube et calandre). Échangeurs à plaques et calandre Cette technologie ("plate and shell heat exchanger", ou PSHE) est dite hybride, car elle combine les échangeurs à calandre aux échangeurs à plaques. L'avantage est sa compacité, qui est environ 5 fois plus élevée que celle d'un échangeur à tube et calandre. Dans ces échangeurs, un ensemble de plaques cylindriques parallèles est placé à l'intérieur d'une calandre. Un fluide circule entre les plaques, tandis que l'autre fluide circule entre les canaux. Selon la configuration, les plaques peuvent aussi être constituées d'anneaux. Le fabricant finlandais Vahterus Oy propose une large gamme de PSHE, avec des diamètres de calandre compris entre 0,2 et 1 m, pour des puissances échangées de 100 MW, et une pression de service de 100 bar. Pour des applications plus importantes (200 MW), la pression de service est plus basse (60 bar). La température maximale de fonctionnement de ces échangeurs semble se situer autour de 900 °C selon les catalogues des différents fabricants. Selon l'application ils peuvent être fabriqués en acier inoxydable ou d'autres matériaux (titane, nickel, etc.). Les PSHE peuvent être utilisés pour des fluides agressifs (par exemple acides). Ils peuvent résister à des contraintes importantes (chocs thermiques et dynamiques) grâce à leur construction rigide et compacte. Échangeurs à plaques 5/46 Les applications principales des PSHE sont :  chauffage d'eau (exemple chauffage urbain)  réfrigération et cryogénie  récupération de chaleur  condensation et évaporation La nature des effluents peut être très variée :  eau, huile caloporteur, solvants  vapeur d'eau, hydrocarbures et substances organiques  fluides frigorigènes. Échangeurs platulaires soudés Les échangeurs "platulaires" sont une synthèse des échangeurs tubulaires et des échangeurs à plaques conventionnels. Ils allient donc la compacité et la robustesse de ces échangeurs. L'un des fluides s'écoule dans le canal formé par deux plaques, tandis que l'autre fluide s'écoule librement autour de ces canaux. Les canaux peuvent être de différentes formes. Dans le cas d'effluents encrassant et fortement chargés, le fluide circulera entre les plaques utilisant peu de points de contact. Ces échangeurs sont généralement applicables pour des échanges gaz/gaz, gaz/liquide, liquide/liquide, ainsi qu'en condensation ou évaporation. Les puissances échangées sont de l'ordre du mégawatt. La pression de service peut aller du vide jusqu'à 40 bars, pour une plage de température entre –180 et 700 °C. Exemple d’applications avec échangeur platulaire :  Vin / jus de fruits : Réchauffeurs – refroidisseurs de moûts de vendange et jus de fruits chargés  Huiles alimentaires : Échangeurs pour installations de désodorisation et trituration  Réchauffeurs – refroidisseurs de sirop – confiture – solutions- fluides visqueux… Échangeur Compabloc Le "Compabloc" (Alfa Laval) est constitué de plaques ondulées soudées. Il peut être fabriqué en acier inoxydable ou avec un matériau compatible avec la nature des effluents. Les plaques forment des modules de nombre et de taille standard, ce qui permet leur agencement selon la puissance souhaitée. Les écoulements des effluents sont à courants croisés dans un module donné, mais l'empilage des modules transforme la configuration globale en contre-courant et augmente ainsi l'efficacité d'échange. Les différents modules sont montés sur un châssis et connectés par des chicanes. Le Compabloc peut être utilisé dans des applications entre –100°C et 350°C et jusqu'à 35 bars. La surface d'échange maximale citée par Alfa Laval est de 320 m², avec un débit maximal par unité de 4000 m3/h. Il est utilisé en récupération de chaleur, refroidissement, chauffage, condensation, évaporation et refroidissement de gaz. Échangeurs rotatifs 6/46 Échangeurs rotatifs Principes Le principe général des échangeurs rotatifs (appelés également récupérateurs à régénération) est de récupérer la chaleur contenue dans un effluent gazeux en faisant circuler cet effluent au travers d'un matériau accumulateur. Ce matériau accumulateur est ensuite soumis à l'autre effluent et lui cède sa chaleur. Le matériau accumulateur peut être imprégné ou non d'un produit hygroscopique de manière à permettre les échanges tant de chaleur sensible que d'humidité. La matrice du rotor est en feuille métallique. Une bande formée en ondulations est enroulée avec une bande lisse par-dessus. Il en résulte, selon la hauteur des ondulations, des canaux de passage de l'air de tailles différentes. Les flux d’air circulent dans ces canaux à contre –courant. La surface de l'échangeur thermique est déterminante pour le rendement, mais aussi pour la sensibilité aux encrassements. Caractéristiques techniques Le rotor est monté soit dans un caisson ou un cadre périphérique. Les matériaux généralement utilisés sont l’acier inox, l’aluminium de la tôle d’acier ou des feuilles d’acier chromée, en fonction de l’application et de la température. L’épaisseur du matériau varie entre 0,07 mm (installation de climatisation sans nettoyage haute pression) et 0,12 mm (rotor spéciaux, par exemple application en cabine de peinture). Schéma de principe - crédit CETIAT Des revêtements anti corrosion (époxy) peuvent également être appliqués. Le profil du rotor est déterminé en tenant compte du comportement du rotor à l’encrassement et des intervalles de nettoyage nécessaire, ainsi que du rendement souhaité. La hauteur de l’ondulation varie entre 1,5 mm et 3 mm. Plus celle-ci est faible meilleur est le transfert de chaleur mais la perte de charge est plus élevé et l’échangeur est plus sensible à l’encrassement. Les vitesses d’écoulements sont comprises entre 1,6 et 4,5 m/s. L’efficacité de l’échangeur peut atteindre 75 % de la chaleur totale. Elle est fonction de la vitesse de rotation de la roue et de la vitesse frontale de l'air. Maturité Les échangeurs rotatifs ne sont pas très courant en France mais sont beaucoup plus répandus dans d’autre pays (en Allemagne par exemple). Échangeurs rotatifs 7/46 Potentiels d'application Ces uploads/Finance/ l1-1-varedia-livret-technologies.pdf