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N° d’ordre : 2012ISAL0132 Année 2012 THESE Modélisation, conception et étude ex

N° d’ordre : 2012ISAL0132 Année 2012 THESE Modélisation, conception et étude expérimentale d’une pompe à chaleur industrielle à eau à haute température présentée et soutenue publiquement devant l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon pour obtenir le grade de Docteur École doctorale: MEGA (Mécanique, Energétique, Génie civil et Acoustique) Spécialité : Thermique et Énergétique par Marwan CHAMOUN Soutenance prévue le 11/12/12 BELLETRE Jérôme Professeur (Université de Nantes) Examinateur BERAIL Jean-François Ingénieur (Electricité de France) Invité FEIDT Michel Professeur (Université de Nancy) Examinateur FOURNAISON Laurence Directeur de recherche (IRSTEA) Rapporteur HABERSCHILL Philippe Maître de conférences HDR (INSA, LYON) Directeur de thèse MARVILLET Christophe Professeur (IFFI Cnam) Examinateur MIRIEL Jacques Professeur (INSA, RENNES) Rapporteur PEUREUX Jean Louis Ingénieur (Electricité de France) Invité RULLIERE Romuald Maître de conférences (INSA, LYON) Directeur de thèse Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés i Remerciements Entre la rigueur scientifique et le pragmatisme industriel, cette thèse est le fruit de multiples discussions et réflexions scientifiques et techniques dans le cadre d’une collaboration entre le Centre de Thermique de Lyon (CETHIL) de l’INSA de Lyon et Electricité de France Recherche et Développement (EDF R&D). Je tiens à remercier du fond de mon cœur Philippe Haberschill, mon directeur de thèse, ainsi que Romuald Rulliere, mon co-directeur, pour la confiance qu’ils m’ont accordée avec une bonne orientation qui m’a permis de faire ma propre expérience. J’en tire un riche apprentissage, du point de vue scientifique bien sûr, mais également du point de vue personnel. J’aimerais témoigner ma gratitude pour leur soutien précieux tout le long de mon parcours. Je tiens à remercier l’Association Nationale de la recherche (ANR) pour leur financement ainsi que la direction du CETHIL pour son soutien financier et matériel. Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance au staff du département Eco-efficacité et Procédés Industriels (EPI) à EDF R&D pour leur soutien matériel, notamment M. Jean-François Berail et M. Jean-Louis Peureux, chefs de projet, pour leurs conseils techniques et leur vision industrielle pragmatique. Toute ma reconnaissance va également à Madame Laurence Fournaison et Monsieur Jacques Miriel et pour l’intérêt qu’ils ont témoigné envers ce travail en acceptant d’en être les rapporteurs. Par ailleurs, je veux remercier MM. Michel Feidt, Christophe Marvillet et Jérôme Bellettre pour la crédibilité qu’ils confèrent au jury de cette thèse en apportant leurs compétences reconnues et leurs grands regards critiques. Je tiens à exprimer ma gratitude à tous les partenaires du projet PACO pour leurs contributions au projet et l’avancement de ma thèse. Je remercie de plus M. Ahmed Bensafi pour ses conseils avisés et son soutien. J’aimerais remercier ceux qui ont fait un bout de chemin à mes cotés, notamment mes collègues à EDF R&D et au CETHIL, particulièrement Ismael Zaid, Damien Bobelin, Eugénio Sapora, Ali Bourig, Khattar Assaf et Abdelkader Bouziane. Enfin, je voudrais remercier toute ma famille ainsi que mes amis qui m’ont soutenu tout au long de ces trois ans de thèse. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés iii Ecoles Doctorales 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE CHIMIE DE LYON http://www.edchimie-lyon.fr Insa : R. GOURDON M. Jean Marc LANCELIN Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 directeur@edchimie-lyon.fr E.E.A. ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE http://edeea.ec-lyon.fr Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN eea@ec-lyon.fr M. Gérard SCORLETTI Ecole Centrale de Lyon 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17 Gerard.scorletti@ec-lyon.fr E2M2 EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://e2m2.universite-lyon.fr Insa : H. CHARLES Mme Gudrun BORNETTE CNRS UMR 5023 LEHNA Université Claude Bernard Lyon 1 Bât Forel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 04.72.43.12.94 e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr EDISS INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE http://ww2.ibcp.fr/ediss Sec : Safia AIT CHALAL Insa : M. LAGARDE M. Didier REVEL Hôpital Louis Pradel Bâtiment Central 28 Avenue Doyen Lépine 69677 BRON Tél : 04.72.68 49 09 Fax :04 72 35 49 16 Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr INFOMATHS INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES http://infomaths.univ-lyon1.fr M. Johannes KELLENDONK Université Claude Bernard Lyon 1 INFOMATHS Bâtiment Braconnier 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72. 44.82.94 Fax 04 72 43 16 87 infomaths@univ-lyon1.fr Matériaux MATERIAUX DE LYON Secrétariat : M. LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat. Saint Exupéry Ed.materiaux@insa-lyon.fr M. Jean-Yves BUFFIERE INSA de Lyon MATEIS Bâtiment Saint Exupéry 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE Secrétariat : M. LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat. Saint Exupéry mega@insa-lyon.fr M. Philippe BOISSE INSA de Lyon Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard 25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél :04.72.43.71.70 Fax : 04 72 43 72 37 Philippe.boisse@insa-lyon.fr ScSo ScSo* M. OBADIA Lionel Sec : Viviane POLSINELLI Insa : J.Y. TOUSSAINT M. OBADIA Lionel Université Lyon 2 86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07 Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr *ScSo : Histoire, Geographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés v Résumé Mots clés : Pompe à chaleur industrielle, fluide frigorigène naturel, vapeur d’eau, haute température, modélisation, Modélica. Le contexte énergétique global impose, durablement aux industriels la poursuite des efforts en matière d’efficacité énergétique nécessitant le déploiement de nouveaux procédés innovants éco- efficaces. Une meilleure gestion de l’énergie permet l’amélioration de l’efficacité énergétique globale des procédés ainsi que la réduction des émissions de CO2. Dans ces conditions, la récupération et la valorisation de la chaleur perdue apparait comme un potentiel pour atteindre ces objectifs. L’intégration d’une pompe à chaleur à haute température permet une valorisation de pertes calorifiques en satisfaisant des besoins de chauffage à haute température (>130°C) qui apparaissent simultanément dans certains procédés (distillation, séchage…). Malheureusement, les pompes à chaleur répondant à ces besoins industriels sont indisponibles actuellement. C’est dans ce contexte que s’inscrit la présente étude qui a permis le développement et la mise en place d’une pompe à chaleur à haute température utilisant l’eau comme fluide frigorigène. Les verrous techniques et technologiques limitant la faisabilité d’une telle machine ont été levés en concevant une nouvelle architecture de PAC et en développant deux types de compresseur : un compresseur bi-vis adapté et un compresseur centrifuge bi-étagé à paliers magnétiques. La mise en place de cette PAC munie du compresseur bi-vis est présentée. Un modèle dynamique de cette pompe à chaleur est développé avec Modelica en tenant compte de la présence de gaz incondensables dans la machine. Des modèles détaillés des compresseurs sont développés en fonction de leurs caractéristiques géométriques. Une étude expérimentale de la phase de démarrage est présentée montrant le processus de purge des incondensables et l'évolution de certains paramètres de la pompe à chaleur. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à des simulations numériques. Plusieurs modes de fonctionnement de la machine de récupération des pertes calorifiques sont simulés numériquement et analysés énergétiquement ainsi qu’exergétiquement. Le modèle de pompe à chaleur a enfin été intégré à un modèle de colonne à distiller montrant les économies d'énergie globales et les avantages environnementaux obtenus. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0132/these.pdf © [M. Chamoun], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés vii Abstract Keywords: Industrial Heat Pump, natural working fluid, water vapour, high temperature, modelling, Modelica. Currently, improving energy efficiency becomes a main challenge for all industrial energy systems. This challenge involves an improved recovery of wasted heat generated by several industrial processes. Large energy savings and potential environmental benefits are associated with the use of industrial heat pump mainly at high temperature levels (>130°C) unavailable on the market. The development of high temperature heat pump using water vapor as working fluid is investigated. Technical problems restraining the feasibility of this industrial heat pump are surmounted by a specifically designed heat pump, the development of a new twin screw compressor and a new centrifugal compressor with magnetic bearings. A dynamic model of this heat pump is developed using Modelica and taking into account the presence of non-condensable gases in the machine. Detailed models of the compressors are developed based on their geometrical characteristics. Experimental results of the start-up phase have been presented showing the non-condensable purging process and the evolution of some parameters of the heat pump. These experimental results have been confronted to numerical simulations. Several scenarios of industrial processes for high-temperature heat recovery and heat upgrading are numerically simulated and analyzed based on energetic and exergetic studies. The uploads/Geographie/ these-pdf 1 .pdf