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HAL Id: tel-01674498 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01674498 Submitted on 3 Jan 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Gazéification du GNL par cycle de Brayton associé à une boucle caloportrice et une pompe à chaleur Zoheir Hadid To cite this version: Zoheir Hadid. Gazéification du GNL par cycle de Brayton associé à une boucle caloportrice et une pompe à chaleur. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT : 2012ENMP0112. tel-01674498 N°: 2009 ENAM XXXX MINES ParisTech Centre Energétique et Procédés 5 Rue Léon Blum 91120 Palaiseau École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l'Ingénieur THESE CONFIDENTIELLE JUSQU'AU 1er JANVIER 2018 présentée et soutenue publiquement par Zoheir HADID le 4 octobre 2012 Gazéification du GNL par cycle de Brayton associé à une boucle caloportrice et une pompe à chaleur Gasification of LNG using a Brayton cycle associated to a heat transfer fluid loop and a heat pump Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École nationale supérieure des mines de Paris Spécialité “ Energétique ” Directeur de thèse : Denis CLODIC Co-encadrement de la thèse : Assaad ZOUGHAIB T H È S E Jury M. Georges DESCOMBES, Professeur, CNAM Rapporteur M. Pierre NEVEU, Professeur, Université de Perpignan Rapporteur M. Denis CLODIC, Directeur de recherche émérite, MINES ParisTech Examinateur M. Vincent LEMORT, Docteur, Université de Liège Examinateur Mme. Herveline ROBIDOU, Docteur, GEA BTT Examinateur M. Assaad ZOUGHAIB, Docteur, HDR, MINES ParisTech Examinateur « Science sans conscience n'est que ruine de l'âme. » François Rabelais Sommaire NOMENCLATURE ........................................................................................................... i INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................1 CHAPITRE 1 : GAZEIFICATION DU GNL ........................................................................................3 Introduction .............................................................................................................................. 4 1. Etat de l'art de la gazéification du GNL ......................................................................... 5 1.1. La vaporisation par combustion submergée (SCV) ....................................................... 6 1.1.1. Description du procédé .............................................................................................6 1.1.2. Consommation énergétique de la SCV et son impact sur l'environnement ... 7 1.1.3. Les avantages de la SCV .................................................................................... 7 1.2. La vaporisation par échange de chaleur avec l’eau de mer (ORV) ............................... 7 1.2.1. Description générale de l’ORV ............................................................................ 7 1.2.2. L'impact environnemental de l’ORV .................................................................... 8 1.2.3. Avantages de l’ORV ..................................................................................................8 1.3. Comparaison entre la SCV et l’ORV ................................................................................ 8 1.4. La vaporisation par fluide intermédiaire (IFV) ................................................................. 9 1.5. La vaporisation avec échangeurs tube et calandre (STV) .......................................... 10 1.6. La vaporisation par l'air ambiant (AAV) ........................................................................ 10 2. Analyse exergétique des systèmes de gazéification actuels...................................... 10 2.1. Analyse exergétique du GNL ......................................................................................... 10 2.2. Destruction d’exergie dans les systèmes actuels ......................................................... 15 3. Valorisation par cycles de Carnot réversible et endo-réversible ................................. 18 4. Travaux en cours sur la valorisation du froid du GNL sous forme d’énergie mécanique ............................................................................................................................ 20 4.1. Etude bibliographique sur les systèmes de valorisation du froid du GNL sous forme d'énergie mécanique ........................................................................................................ 20 4.2. Nouveau concept de gazéification avec valorisation à l'air ambiant (Brevet WO 2011/055045 A1) ................................................................................................... 24 5. Optimisation de l'architecture thermodynamique des cycles moteurs ......................... 28 5.1. Introduction ..................................................................................................................... 28 5.2. Contraintes et irréversibilités d'un cycle moteur réel .................................................... 29 5.3. Choix des fluides de travail candidats ........................................................................... 33 5.4. Analyse énergétique et exergétique ............................................................................... 34 5.4.1. Compresseur (ou pompe) ..................................................................................... 35 5.4.2. Récupérateur .......................................................................................................... 35 5.4.3. Echangeur Fluide/Propane ................................................................................ 36 5.4.4. Turbine ............................................................................................................... 36 5.4.5. Gazéifieur du GNL ............................................................................................. 36 5.5. Recherche de la meilleure solution ................................................................................ 37 5.5.1 Solution avec un seul cycle thermodynamique................................................. 37 5.5.2. Solution de revalorisation avec deux cycles thermodynamiques ................... 47 5.6. Conclusion ...................................................................................................................... 49 6. Analyse exergétique saisonnière préliminaire ...................................................................... 50 Conclusions ........................................................................................................................... 54 Sommaire CHAPITRE 2 : MODELISATION D’ECHANGEURS A AILETTES RONDES DISCONTINUES EN CONDITION DE GIVRAGE ET VALIDATION EXPERIMENTALE ...... 57 Introduction ............................................................................................................................ 58 1. Description du dispositif expérimental ........................................................................ 60 1.1. Conditions opératoires......................................................................................................... 60 1.2. Choix des maquettes d’échangeur ................................................................................ 62 1.3. Circuit aéraulique ................................................................................................................. 63 1.4 Circuit hydraulique ................................................................................................................ 64 1.4.1. Circuit du frigoporteur (Temper -55) ................................................................. 64 1.4.2. Circuit de dégivrage ............................................................................................... 64 1.5. Système d’acquisition .......................................................................................................... 64 2. Procédure expérimentale ........................................................................................ 65 3. Calcul d'incertitude.................................................................................................. 68 3.1 Tolérance des appareils de mesures .............................................................................. 68 3.2. Incertitude sur le bilan de masse .................................................................................... 69 4. Résultats expérimentaux ........................................................................................ 70 4.1. Dépôt de givre ...................................................................................................................... 70 4.2. Flux de chaleur sensible ................................................................................................. 72 4.3. Perte de pression et chute du débit .............................................................................. 74 4.4. Conclusion ...................................................................................................................... 78 5. Modèle de croissance du givre sur les ailettes d’un échangeur de chaleur (avec validation par la littérature) ............................................................................................................ 79 5.1. Etude bibliographique et présentation des mécanismes de formation de givre ........ 79 5.1.1 Introduction ......................................................................................................... 79 5.1.2. Description du phénomène de formation de givre ........................................... 80 5.1.3. Modèles décrivant la formation de givre ........................................................... 80 5.2. Modélisation de la croissance de givre sur les ailettes d'un échangeur de chaleur ............................................................................................................................ 82 5.2.1. Hypothèses ........................................................................................................ 82 5.2.2. Bilan de masse et d'énergie .............................................................................. 82 5.2.3. Conditions aux limites ........................................................................................ 85 5.2.4. Validation du modèle .............................................................................................. 86 5.2.5. Conclusion ......................................................................................................... 89 6. Modélisation d’échangeurs à ailettes discontinues en condition de givrage ............... 89 6.1. Introduction ..................................................................................................................... 89 6.2. Modèle d'un élément de tube à ailettes en condition de givrage ................................ 90 6.2.1. Modèle "Géométrie" ........................................................................................... 91 6.2.2. Modèle "air" ........................................................................................................ 93 6.2.3. Modèle "Tube+ Ailettes" .................................................................................... 95 6.2.4. Modèle" fluide frigoporteur" ................................................................................ 96 6.3 Schéma d'un modèle d'une maquette d'échangeurs ................................................... 97 7. Etude bibliographique des corrélations du coefficient de transfert de chaleur et de la perte de pression (échangeurs à ailettes rondes discontinues) ................................................ 99 7.1 Bibliographie des corrélations du coefficient de transfert de chaleur externe ...........99 7.1.1. Corrélation de Briggs et Young (1963) ............................................................. 99 7.1.2. Corrélation de Krupiczka et al. (2003) .......................................................... 100 7.1.3. Corrélation de Vampola (1966) .................................................................... 100 7.1.4. Corrélation de Ganguli et al (1985) ................................................................ 101 Sommaire 7.1.5. Comparaison entre les différentes corrélations du coefficient de transfert de chaleur externe .......................................................................................................... 101 7.2. Bibliographie des corrélations de perte de pression ................................................. 104 7.2.1. Corrélation de Robinson et Briggs ................................................................. 104 7.2.2. Corrélation Vampola (1966) ........................................................................... 104 7.2.3. Validation expérimentale des corrélations de perte de pression ................ 104 7.3. Corrélations du coefficient de transfert de chaleur interne ....................................... 106 8. Corrélation des coefficients de transfert de chaleur et de masse en conditions de givrage .................................................................................................................... 107 8.1. Introduction ......................................................................................................................... 107 8.2. Identification et corrélation du coefficient de transfert de chaleur et de la fonction de Lewis en condition de givrage ....................................................................................... 109 8.2.1. Coefficient de transfert de masse ....................................................... 109 8.2.2. Coefficient de transfert de chaleur ................................................................ 110 9. Validation du modèle ............................................................................................ 112 10. Corrélation de la perte de pression en condition de givrage .................................. 115 Conclusions .................................................................................................................... 116 CHAPITRE 3 : STRATEGIE DE CONCEPTION ET DE PILOTAGE DU PROCEDE ......... 119 Introduction ......................................................................................................................... 120 1. Données d’entrée, besoins et variables de design .................................................... 120 2. Définition des besoins thermiques du procédé ......................................................... 123 2.1. Cycles moteurs .................................................................................................................. 123 2.2. Boucle de fluide caloporteur ....................................................................................... 125 2.3. Pompe à chaleur .......................................................................................................... 126 2.3.1. Le dégivrage ......................................................................................................... 128 3. Recherche du cas défavorable ............................................................................. 132 4. Etude du dégivrage ............................................................................................... 137 5. Dimensionnement des évaporateurs et de la pompe à chaleur ............................... 140 6. Analyse exergétique saisonnière (6 FPI) .............................................................. 144 Conclusion .................................................................................................................... 146 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES.................................................................. 147 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................................................... 151 ANNEXES ............................................................................................................ 155 Nomenclature i Nomenclature Surface d'échange [m2] Surface totale des ailettes d'un élément de tube Surface totale interne d'un élément de tube [m2] Surface totale d'échange [m2] Surface totale externe d'un élément de tube sans ailettes [m2] Surface totale d'échange d'un élément de tube aileté de longueur [m2] p Chaleur massique à pression constante [J kg-1 K-1] C Chaleur massique [J kg-1 K-1] D Coefficient de diffusion binaire [m2 s-1] d Diamètre [m] d Diamètre hydraulique utilisé dans les corrélations de Vampola [m] x Flux d'exergie détruite [W] f t Fréquence de dégivrage [s-1] g Mesure, accélération de la pesanteur [m s-2] G Flux massique [kg.m-2 s-1] , mesurande (calcul d'incertitude) h Enthalpie massique [J kg-1] Hauteur de l'ailette [m] h Coefficient de transfert de chaleur coté air [W m-2 K-1] h Coefficient de transfert de chaleur côté frigoporteur [W m-2 K-1] h Coefficient de transfert de masse [kg m-2 s-1] HR Humidité relative [%] i Fonction enthalpie massique de l'air humide [J kg-1] k Conductivité thermique [W m-1 K-1] Chaleur latente de condensation [J kg-1] Chaleur latente de sublimation [J kg-1] Longueur d'un élément de tube [m] m Débit [m s-1] M Masse molaire [kg.mol-1] m Flux de masse de vapeur d'eau diffusé dans la couche de givre, évalué au point x [kg/m2s] m Débit volumétrique de l'air [m3/s] m Flux de masse de vapeur d'eau total transféré à la couche de givre [kg m-2 s-1] m Flux de masse uploads/Science et Technologie/ 2012enmp0112.pdf