Étude et conception d'un nouveau système industriel de chauffage et refroidissement de solides intégré par thermo-frigo-pompe

Study and design of a new industrial heating/cooling of solids integrated system operating with a heat pump

• Auteur / Autrice : Jérémie Fricker
• Direction : Didier Mayer, Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Procédés
• Date : Soutenance le 06/10/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Jury : Président / Présidente : Michel Feidt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Mayer, Assaad Zoughaib
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Arlabosse, Jocelyn Bonjour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Exergie

Échangeurs de chaleur

Industries agroalimentaires

Mots clés libres

Intégration thermique

Échangeur à lit fixe

Thermo-Frigo-Pompe

Thermal integration

Packed bed heat exchanger

Heat pump

Résumé

Dans l'industrie agroalimentaire, le procédé de blanchiment est un traitement thermique indispensable pour la transformation de légumes en produits conserves et surgelés. L'objectif est de détruire des microorganismes par un chauffage des légumes à 97°C, puis de les refroidir à 5°C. L'enjeu de cette thèse est de proposer une conception énergétiquement efficace de ce procédé. L'analyse énergétique et exergétique, ainsi que le respect de contraintes qualité liées au produit, aboutissent à un nouveau schéma de procédé. L'essentiel de la récupération de chaleur est réalisée grâce à un débit d'eau circulant à contre-courant des légumes au travers de trois échangeurs de chaleur. Le complément de puissance est fourni par une thermo-frigo-pompe (TFP) délivrant les utilités chaude et froide. Le premier enjeu est le bon dimensionnement des échangeurs liquide/solides. Ceux-ci sont modélisés pour deux configurations d'écoulement : courant-croisé et contre-courant. D'autre part, une TFP usuelle n'est pas capable d'avoir la flexibilité nécessaire à son intégration dans un procédé agroalimentaire soumis à des besoins de puissance variables. Deux options de découplage (total et partiel) sont étudiées pour ajouter un degré de liberté à ce cycle thermodynamique. Ces travaux permettent la conception d'un pilote qui est réalisé pour blanchir 1 t/h de légumes. L'équipement a démontré une réduction des besoins de puissance de chauffage de 65 % à 75 %. La consommation exergétique, combinant les besoins de chauffage et de refroidissement, a chuté de 79 % et le débit d'eau consommée est divisé par 5. Si ces travaux posent de nouvelles questions, ils démontrent que la récupération de chaleur sur des solides tels que des légumes est réalisable.

In food industry, the blanching process is essential for transforming vegetables into canned or frozen products. To destroy microorganisms the vegetables are heated to 97 °C and cooled to 5 °C. The aim of this thesis is to propose an energy-efficient design of this process. Energy and exergy analysis, coupled to respect of safety requirements, resulted in a new process flow sheet. The largest part of heat is recovered using an intermediate water flow which circulates in counter-current of the solid flow rate. Remaining cooling and heating needs are provided by a heat pump. Thus, designing the liquid-to-solids heat exchangers is the first challenge. To do this, two mains components are modeled: the countercurrent and the crossflow heat exchangers. On the over hand, a usual heat pump is unable to deliver both heating and cooling with variable capacities. To improve flexibility of this thermodynamic system two different options are analyzed. Theses works lead to a new blanching process design, the pilot was made to operate with a solid mass flow rate of 1 t/h. This equipment demonstrates an energy saving of 65 % to 75 % and an exergy saving of 79 %. Moreover water consumption is divided by 5. If this work leads to new questions, it proves that energy efficiency if feasible on solids like vegetables.