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Institut Universitaire de Technologie Génie Thermique et Energie Rapport du pro

Institut Universitaire de Technologie Génie Thermique et Energie Rapport du projet 0111 Dimensionnement d’une unité de récupération d’énergie Etudiants: Letourneur Cyrille Sorondo David Responsable: Bongiovanni Jean-Marc Année 2000-2001 Plan du Rapport Sommaire……………………………………………………………….......…........ 1 Introduction……………………………………………………………….......….. 2 - généralité…………………………………………………………...... 2 - description………………………………………………………….... 3 - schéma de principe………………………………………………… 4 - commentaire………………………………………………………… 5 Etude générale ………………………………………………………………..... 6 - les échangeurs thermiques………………………………………. 6 - les ventilateurs ……………………………………………………... 10 Etude théorique………………………………………………………………… 12 - dimensionnement des échangeurs……………………………... 12 - organigramme……………………………………………………… 16 - évaluation des pertes de charge……………………………........ 17 Etude numérique………………………………………………………………. 18 - dimensionnement des échangeurs……………………………... 18 - dimensionnement des ventilateurs…………………………….. 20 Commentaire des résultats……………………………………………….. 24 - comparaison des surfaces………………………………………... 24 - dimensionnement des ventilateurs…………………………….. 24 - commentaire et comparaisons…………………………………... 25 Conclusion………………………………………………………………………… 26 Nomenclature……………………………………………………………………. 27 2 INTRODUCTION Généralité: Le but de notre projet tutoré, de deuxième année d’IUT Génie Thermique et Energie, est de dimensionner une unité de récupération d’énergie. Cette unité, composée principalement d’un échangeur de chaleur à plaques, doit permettre de récupérer l’énergie contenue dans les fumées d’un four industriel. Cette énergie thermique, transmise à de l’air, permettra d’assécher des boues résiduaires. Dans un premier temps, nous réaliserons une étude générale pour apprécier les solutions techniques adaptables à notre projet. Dans un second temps, une étude théorique nous permettra une évaluation de la surface de l’échangeur de chaleur ainsi qu’une approximation des pertes de charge dans les conduites. Ensuite, à l’aide de la documentation obtenue par l’intermédiaire des entreprises contactées, nous procéderons au choix de l’échangeur. Nous confronterons nos résultats théoriques avec les valeurs fournies par les constructeurs. Nous pourrons ensuite dimensionner les extracteurs nécessaires à la circulation des fluides dans l’unité de récupération d’énergie et évaluer le coût de cette unité. L’aboutissement de ce projet permettra à l’entreprise Epure Tec de proposer des solutions pour le traitement des boues résiduaires. Entreprise Epure Tec: L’entreprise Epure Tec fait partie de la pépinière d’entreprises EUROLACQ basée à Artix (64), créée en 1992 dans le cadre de la politique de reconversion industrielle. C’est une société de services pour le traitement des déchets. L’utilisation de l’unité de traitement Epure Tec permet d’atteindre la réduction de masse et de volume des boues. Ceci permet de limiter la taille de certains équipements et le coût de stockage, de transport, et de manutention. Les boues déshydratées étant rarement utilisées à proximité de l’usine de dépollution des eaux résiduaires, le transport constitue alors un maillon essentiel. Par ailleurs, ce traitement permet aussi de réduire le pouvoir fermentescible et par conséquent, les nuisances olfactives. Ce critère de qualité est essentiel pour les agriculteurs lors de l’épandage. Enfin le projet Epure Tec prévoit la mise en place de nouvelles solutions pour la valorisation énergétique des boues. Celles-ci ayant un fort pouvoir de combustion, des économies d’énergie peuvent être entreprises. 3 Description de l’unité de récupération d’énergie. La première unité de récupération d’énergie que l’on doit dimensionner est destinée à être installée sur un four industriel que possède l’entreprise Epure Tec. Ce four est actuellement entreposé dans les locaux de l’entreprise à Artix. Cette unité sera un modèle réduit du projet final de l’entreprise. Une seconde unité de récupération d’énergie sera dimensionnée pour fonctionner sur des fours industriels plus gros (ayant un débit de fumées supérieur). Nous devrons prévoir un système comportant deux circuits: -l’un permettant de récupérer les fumées à la sortie du four afin de les faire circuler dans un échangeur de chaleur, puis de les rejeter à l’extérieur des locaux. -l’autre permettant de récupérer de l’air propre qui passera dans l’échangeur afin de récupérer l’énergie cédée par les fumées, et qui sera envoyé vers son lieu d’utilisation. Ces deux circuits nécessiteront chacun un ventilateur qui permettra d’une part, de vaincre les pertes de charge, et d’autre part, de contrôler le débit des fluides. Par ailleurs, le responsable du projet, M. BONGIOVANNI, nous a conseillé de faire cette étude en basant nos calculs sur l’utilisation d’un échangeur à plaques. En vue de la recherche des avantages que présente ce type d’échangeur, nous effectuerons une étude sur leur technologie. 5 Commentaire. Les fumées issues du four entrent dans l’échangeur par un premier circuit, à une température Tce et avec un débit volumique Qvc. Dans l’échangeur, elles cèdent de l’énergie à l’air qui y circule et ressortent à une température Tcs, inférieure à Tce, et conservant le même débit volumique Qvc. Utilisant un second circuit, l’air est prélevé au milieu extérieur et entre dans l’échangeur à une température Tfe sous un débit volumique Qvf. En croisant les fumées, l’air récupère l’énergie contenue dans celles-ci et ressort de l’échangeur avec le même débit Qvf, et une température Tfs supérieur à Tfe. Les extracteurs installés sur chaque circuit nous permettent, outre de faire circuler les deux fluides, de contrôler leur débit volumique. 6 Etude Générale Les échangeurs thermiques Aujourd’hui, dans l’industrie, l’échangeur d’énergie thermique est devenu un élément capital. Il est largement utilisé dans les fabrications de produits dont l’élaboration nécessite des cycles de changement de température ou encore, dans des procédés de production d’énergie mécanique à partir d’énergie thermique. Le principe de fonctionnement d’un échangeur de chaleur reste identique quelque soit le type d’échangeur en présence: un fluide chaud entre dans l’échangeur et cède une partie de son enthalpie au fluide froid, et sort de l’échangeur. Le fluide froid suit l’autre circuit de l’échangeur, voisin de celui du fluide chaud pour récupérer l’énergie thermique présente dans le milieu. Ainsi, un échangeur possède toujours deux entrées et deux sorties. Les échanges thermiques à l’intérieur d’un échangeur dépendent essentiellement de la convection du fluide et de la résistance de la paroi. Ainsi, pour améliorer le coefficient global de transfert thermique, les constructeurs cherchent à diminuer l’épaisseur des parois, à utiliser les matériaux les plus conducteurs, et conseillent l’utilisation de fluides convectifs. Mais l’intensification des échanges thermiques, passe aussi par le travail des surfaces d’échanges. Les échanges seront d’autant meilleurs que l’écoulement sera turbulent. Malheureusement, le gain de puissance échangé ainsi obtenu, entraîne une augmentation des pertes de charges. Cela demande donc, un apport supplémentaire en énergie mécanique. De nos jours, il existe trois technologies différentes d’échangeur : - les échangeurs à tubes - les échangeurs à plaques - les autres types d’échangeurs(contact direct, à caloducs, à lit fluidisé) Remarque: Nous n’étudierons que les deux premières familles car la troisième concerne des applications industrielles spécifiques et non adaptés à notre situation. Par ailleurs, ne prévoyant pas de changement de phase des fluides utilisés, nous bornerons notre étude aux échangeurs monophasiques. De plus, pour chacun de ces types d’échangeurs, on distingue trois géométries relatives aux deux fluides: - les échangeurs co-courants: les deux circuits sont parallèles et les deux fluides vont dans le même sens. - les échangeurs contre-courants: les deux circuits sont parallèles mais les deux fluides vont dans des sens opposés. - les échangeurs à courants croisés: les circuits se croisent (en général, les deux circuits sont perpendiculaires). 7 Les échangeurs à tubes. Les échangeurs tubulaires sont les plus répandus dans le milieu industriel. Ces échangeurs utilisent des tubes comme constituant principal de la paroi d’échange. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée: -Les échangeurs monotubes : le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin. -Les échangeurs coaxiaux : les tubes sont le plus souvent cintrés, en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur. -Les échangeurs multitubulaires qui existent sous trois formes distinctes : -Les échangeurs à tubes séparés dans lesquels, à l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (d'environ 100mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être de type rectiligne ou bien enroulé. -Les échangeurs à tubes rapprochés dans lesquels, pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. -Les échangeurs à tubes ailetés. Les ailettes peuvent être soit extérieur au tube, soit placées à l’intérieur du tube. Ces échangeurs sont essentiellement utilisés quand l’un des deux fluides est moins calovecteur que l’autre (exemple: échange thermique entre un liquide et un gaz). Ainsi, la résistance thermique globale n’est plus principalement du au fluide ayant le plus petit coefficient d’échange thermique. -Les échangeurs à tubes et calandre qui sont actuellement les plus répandus existent sous différentes formes. Le choix est alors défini en fonction de l’encrassement et de différence de température entre les deux fluides. Gaz Tubes ailetés Air Ailettes Liquide 8 Les échangeurs à plaques. Les échangeurs à plaques 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 telles que la chimie, le nucléaire, etc. On distingue suivant la géométrie de canal utilisée, les échangeurs à surface primaire et les échangeurs à surface secondaire. Les échangeurs à surface primaire sont constitués de plaques corruguées, nervurées ou picotées. Il existe, aujourd’hui, dans le monde uploads/Finance/ projet-0111.pdf