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 :

• la séance IT2 présente en détail un exemple d’utilisation pratique de cette méthode, en allant jusqu’à la construction du réseau d’échangeurs
• la séance IT3 est plus particulièrement consacrée à la méthode d’optimisation systémique de Thermoptim, qui est basée sur la méthode du pincement

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

• Pincement P

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 Qc_min et rejet Qf_min 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

• bilans enthalpiques par intervalle de T
• intéressante pour placer les utilités

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 1	20 – 135 °C	230 kW
Fluide 2	80 – 140 °C	230 kW

• Disponibilités

Fluide 3	170 – 60 °C	330 kW
Fluide 4	150 – 30 °C	180 kW

Intégration thermique

Décalage des températures (ΔTmin = 10 °C)

• avant :

  

• après :

  

Intervalles de température

• ΔH_net = (T_i - T_i+1) (ΣmCp_b - ΣmCp_d) = Δh_b - Δh_d

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

• téléchargement de 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.

• Fichier Hint