Modélisation et conception d’une serre solaire assistée par pompes à chaleur pour le séchage des boues de station d’épuration

Modelling and design of a drying system by solar greenhouse associated with heat pumps for sewage sludge

• Auteur / Autrice : Rayan Slim
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Séchage

Pompes à chaleur

Énergie solaire

Boues d'épuration

Eaux usées -- Stations de traitement

Résumé

La gestion des boues représente un véritable défi dû à sa consommation d'énergie et la pollution environnementale associée. L’objectif de ce mémoire est de concevoir et d’étudier un procédé de séchage de boues par énergie solaire et pompes à chaleur, et d’explorer les options techniques pour fournir l’appoint d’énergie aux boues. Un dispositif de séchage expérimental a été réalisé afin d’étudier le séchage conductif des boues et d’évaluer leurs caractéristiques. Une méthode analytique a été proposée pour évaluer la diffusivité de la vapeur d'eau dans les boues, modélisées en tant qu’ensemble d’agrégats poreux. Cette méthode, basée sur un modèle diffusif fickian, a permis de suivre l’évolution de facteur d'impédance de diffusion au cours d’un cycle de séchage. Les expériences ont souligné l'effet de la fréquence de retournements sur l’intensification du séchage. Les transferts de chaleur et de masse convectifs intervenant à l’interface de séchage air-boues ont été caractérisés expérimentalement. L’intensification de l’évaporation due à l’augmentation des vitesses d’air superficielles a été mise en évidence. Une corrélation a été établie pour rendre compte de l’écart entre les conductances latentes expérimentales et les conductances prévues par la théorie de Lewis, en fonction des siccités des boues. Le concept de soufflage d’air par fentes linéaires sur la largeur de la serre a été proposé comme moyen d’amélioration des conditions aérauliques dans une serre de séchage. A partir de ces développements, un modèle mathématique du procédé de séchage combiné a été établi afin d’évaluer ses performances et ses consommations énergétiques. Les données climatiques ont été intégrées afin d'évaluer les performances saisonnières du procédé et d’étudier l'influence des conditions climatiques sur les modes opératoires des pompes à chaleur. Les simulations ont permis de définir une logique de régulation optimale en termes de minimisation des consommations énergétiques marginales. En outre, le modèle a mis en évidence l’amélioration apportée par la réduction de l’épaisseur du lit de boues au cours d’un séchage combiné.

Wastewater sludge management raises a serious challenge due to ever increasing environmental pollution and energy consumption. The aim of this work is to study the drying of wastewater sludge using solar energy combined with heat pumps and to investigate possible ways of providing supplemental energy to sludge drying when needed. A laboratory-scale drying test bench was set up to study the conductive drying of sludge and evaluate its drying characteristics. An analytical method was developed to evaluate water vapor diffusivity within urban sludge, modelled as coarse aggregated porous medium where only aggregates external porosity is accounted for. This method, which is based on the analytical solution of a fickian diffusive model, allows the evaluation of the impedance to which vapor diffusion is subjected throughout drying, as a function of the sludge dry solid content. Experiments highlighted the effect of mixing frequency on drying enhancement. Convective heat and mass transfers, occurring between air and sludge, were experimentally characterized. Experiments have shown the effect of increased surface air velocities on the enhancement of the drying mechanism. A correlation giving the deviation from the Lewis’ predicted mass transfer coefficients was established as a function of the sludge dry solid content. The concept of blowing air by means of linear slits along the greenhouse width was proposed as a way of improving air distribution inside the greenhouse. A mathematical model has been developed to simulate this new drying system and evaluate its performances and energy consumptions. Weather data were incorporated in order to evaluate system seasonal performances. The system analysis focused on the influence of climatic conditions on heat pumps operating conditions and allowed the definition of an optimal regulation based on the minimisation of the marginal energy consumption. Furthermore, simulations showed improvement on the combined drying system performances with reduced sludge thickness