Gains énergétiques globaux par installation de pompes à chaleur dans un procédé agro-alimentaire

Global energy gains due to the use of heat pumps in the food process industry

• Auteur / Autrice : Rabih Murr
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Exergie

Industries agroalimentaires

Pompes à chaleur

Résumé

L'amélioration de l'efficacité énergétique dans l'industrie est un des leviers importants pour la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Dans l'industrie agro-alimentaire, des effluents tièdes sont rejetés aux égouts. La valorisation de l'énergie contenue dans ces effluents à l'aide d'échangeurs préchauffeurs et de pompes à chaleur (PAC) permet d'assurer des besoins de chaleur à des niveaux de température plus élevés (comme les solutions de lavage des outils et l'eau chaude sanitaire) et de remplacer les chaudières. Ces besoins concernent souvent des procédés batch ou semi-batch; pour cela, des réservoirs de stockage sont utilisés avec les pompes à chaleur. L'optimisation des tailles des pompes à chaleur et des réservoirs de stockage est une méthode multi-objectifs; elle est basée sur un critère thermodynamique (calculant la destruction d'éxergie dans le système) et un critère économique (calculant le temps de retour sur investissement, le coût d'investissement et le coût opérationnel et intégrant l'impact environnemental). La méthodologie de l'analyse exergétique en dynamique a montré que l'utilisation de deux réservoirs de stockage (à température constante et à volume variable séparés) est plus avantageuse (économiquement et exergétiquement) que l'usage d'un seul réservoir stratifié à volume constant. D'autre part, une méthodologie multicritères est proposée et utilisée pour concevoir les pompes à chaleur, et choisir le mélange de fluides frigorigènes. Ces choix sont validés expérimentalement avec un prototype de pompes à chaleur pour les différents niveaux de température. Finalement, les gains économiques et environnementaux apportés par ces pompes à chaleur comparativement à une chaudière à fioul sont quantifiés pour les différents besoins.

The improvement of energy efficiency in the industry is essential in achieving the objective of mitigation of greenhouse gases. In the agro food process industry, lukewarm effluents are rejected to drain. Recovering heat from these effluents by using preheating exchangers and heat pumps (HP) allows providing heat at higher temperature levels (like cleaning solutions and hot sanitary water) and replacing boilers. These needs may concern batch and semi-batch processes. Storage tanks are therefore used together with heat pumps. The optimization of heat pumps and storage tanks sizes is a multi-objective method. This method is based on a thermodynamic criterion (calculating the exergy destruction in the system) and an economic criterion (calculating the payback period, the cost of investment and the operating cost, and integrating the environmental impact). The dynamic exergy analysis shows that using two separated storage tanks (variable volume and uniform temperature tanks) is better than one tank (constant volume stratified storage tank). On the other hand, a multi-criteria method is used to design heat pumps in order to maximize its performances. It allows designing optimal mixtures of refrigerants. These choices are validated experimentally with a heat pump prototype. Finally, the economic and environmental gains obtained with the heat pump compared to a fuel boiler are quantified for all heat demands.