Présentation

Cette séance est la première partie d’un cours d’introduction à l’intégration thermique ou méthode du pincement.

Elle présente les concepts de base de l’intégration thermique (pincement, composites, algorithme de minimisation du pincement) et les illustre par un exemple traité à la main.

Elle est complétée par deux autres séances :

(Séance réalisée le 17/04/08 par Renaud Gicquel)

Intégration thermique

  • Méthode pour déterminer le réseau d’échangeurs et d’utilités le plus performant dans une installation énergétique ou une usine de procédés

  • Basée sur des principes thermodynamiques et sur l’étude des échanges thermiques entre les fluides à refroidir (disponibilités) et à réchauffer (besoins)

  • Concept fondamental : le pincement

Intégration thermique

  • Intérêts principaux :

    • méthode visuelle et graphique, qui permet à l’ingénieur de conserver une approche physique des phénomènes

    • l’optimisation énergétique est effectuée sans faire aucun a priori sur la configuration du réseau d’échangeurs, qui n’est définie que dans un second temps

    • permet de réduire à la fois les coûts d’investissement et les dépenses de fonctionnement, alors que généralement ce n’est pas le cas

Diagramme enthalpie-température

Courbes composites

  • cumul par niveau de température des enthalpies des fluides chauds et froids

  • en faisant glisser la composite froide de droite à gauche, on fait varier l’écart avec la composite chaude, représentatif des irréversibilités thermiques

Intégration thermique

  • zone inf. exothermique : excédent à évacuer

  • zone sup. endothermique : besoin d’appoint

  • si pincement nul, appoint Qcmin et rejet Qfmin minimaux

Intégration thermique

  • si pincement augmenté (α), apport de chaleur en zone exothermique (β), ou refroidissement en zone endothermique (γ)

  • une chaleur excédentaire transite et doit être fournie et évacuée en excédent

  • surfaces d’échange et consommations des utilités plus importantes

Opérations à éviter

  • retenir une valeur trop importante du pincement minimal

  • chauffer un fluide froid avec une utilité chaude

  • refroidir un fluide chaud avec une utilité froide

Courbes composites

  • le pincement divise en deux le problème

  • chacune des deux zones est indépendante sur le plan thermique

  • les réseaux d’échangeurs peuvent être construits séparément

Grande courbe composite

Pincements liés aux utilités

  • les utilités à niveau de T intermédiaire peuvent introduire de nouveaux pincements

Pincements liés aux utilités

  • les 3 règles précédentes se généralisent :

    • bien respecter les niveaux de température dans l’utilisation des utilités chaudes ou froides, pour éviter que de la chaleur traverse les pincements

Minimisation du pincement

  • méthode graphique :

    • glissement de la composite froide

  • méthode algorithmique :

    • décaler toutes les températures minimales et maximales de ΔTmin/2

    • vers le bas pour les fluides chauds

    • vers le haut pour les fluides froids

  • ainsi l’échange thermique est possible entre fluides décalés de même température

Minimisation du pincement

  • méthode algorithmique :

    • classer tous les fluides dans les intervalles de T définis par les bornes de chacun d’entre eux

    • dresser le bilan enthalpique de chaque intervalle

    • cumuler les déficits enthalpiques

    • apporter comme utilité chaude l’équivalent du déficit enthalpique maximal obtenu

  • cf. exemple suivant

Intégration thermique

  • Besoins

  • Fluide 120 – 135 °C230 kW
    Fluide 280 – 140 °C230 kW
  • Disponibilités

  • Fluide 3170 – 60 °C330 kW
    Fluide 4150 – 30 °C180 kW

Intégration thermique

Décalage des températures (ΔTmin = 10 °C)

  • avant :

  • après :

Intervalles de température

  • ΔHnet = (Ti - Ti+1) (ΣmCpb - ΣmCpd) = Δhb - Δhd

Bilans enthalpiques nets

Intégration thermique

  • déficit enthalpique maximal égal à 20 kW

  • prend place entre les intervalles 3 et 4 (85 °C) : pincement du système

Intégration thermique

Résolution dans Hint

Résolution dans Hint

Introduction à la méthode du pincement

Cette séance a permis de présenter les principaux concepts de la méthode du pincement, mais nous n’y avons pas abordé la conception du réseau d’échangeurs, qui est introduite dans la séance IT2.

Le fichier Hint correspondant à l’exemple traité est accessible depuis le lien ci-dessous.