ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DES TRANSFERTS THERMIQUES DANS DIFFERENTS ECHANGEURS

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La chaleur fatale : gisements et niveaux de température

Les activités industrielles rejettent de la chaleur qu’on appelle « chaleur fatale » car elle est « fatalement » perdue par le procédé. Elle est aussi appelée chaleur de récupération. Cette chaleur se présente sous forme de Rejets Thermiques Industriels (RTI) qui sont en fait des effluents plus ou moins chauds en sortie des procédés. Ces RTI peuvent être, par exemple, des fumées de fours dans les industries sidérurgique et verrière, des buées de séchage dans l’industrie papetière ou encore des liquides de refroidissement dans l’industrie chimique. Si les rejets à haute température (T > 300- 400 °C) font souvent l’objet de récupération, via des échangeurs et des circuits de préchauffage, les rejets à basse température, inutilisables au moment de leur production sont simplement jetés.
Ces RTI appelés communément Rejets Basse Température (RBT) existent sous forme liquide, gazeuse ou diffuse comme présenté sur la Figure I-2. Les rejets sous forme liquide sont la plupart du temps expulsés dans les eaux usées ou dans le milieu naturel, avec passage préalable ou non dans une tour aéro-réfrigérante pour les refroidir. Ceux sous forme d’effluents gazeux sont rejetés dans l’atmosphère, après une éventuelle filtration s’ils sont chargés en poussières. Les rejets diffus correspondent aux pertes par défaut d’isolation des canalisations, au refroidissement naturel des produits ou encore aux pertes par rayonnement. Les effluents liquides et gazeux sont les plus faciles à récupérer alors que les effluents diffus sont plus difficilement récupérables.

Scénarios pour la valorisation des RTI et définition du projet Valenthin

La récupération de chaleur fatale industrielle s’inscrit dans une démarche d’efficacité énergétique cohérente. Avant de parler de récupération de chaleur fatale, il conviendra de réduire en amont sa production en optimisant le procédé. La production de chaleur fatale reste cependant inéluctable et la valoriser en interne est le processus le plus cohérent exergétiquement et économiquement parlant. Mais lorsque la valorisation interne n’est pas possible, la chaleur peut être injectée sur d’autres sites. Les différentes voies de valorisation des RTI sont synthétisées sur la Figure I-4.La chaleur peut ainsi être utilisée soit sous forme 1) thermique – directement ou indirectement lorsque les niveaux de température sont abaissés ou relevés, 2) électrique, grâce aux précurseurs thermoacoustiques, thermoélectriques ou encore aux cycles thermodynamiques, 3) mécanique, avec les cycles thermodynamiques. Enfin, à défaut de pouvoir être utilisée immédiatement au moment de sa production, la chaleur peut aussi être stockée dans des réservoirs de stockage sensible, latent ou thermochimique en vue d’une valorisation interne ou externe via un transport de cette énergie thermique vers des procédés ou des sites résidentiels et tertiaires. Ce stockage peut avoir lieu au moment de la collecte des rejets thermiques industriels ou après élévation ou diminution du niveau de température.
Le projet VALENTHIN est un projet structurant du pôle de compétitivité Axelera qui regroupe 14 partenaires et qui vise à VALoriser l’ENergie THermique Industrielle ayant une température comprise entre la température ambiante et 200 °C par les différentes voies de récupération présentées précédemment. Il se décline en différents objectifs R&D plus spécifiques. En premier lieu, il convient d’identifier clairement les RTI valorisables, leur niveau de température et les procédés adaptés pour permettre la récupération. Puis, deux axes sont envisagés pour la valorisation. D’une part, il s’agit de développer des procédés innovants de valorisation de chaleur fatale, comme le développement d’échangeurs spécifiques, de pompes à chaleur à gaz, électrique ou à absorption, de cycle de Rankine Organique etc… D’autre part, l’idée est de développer de nouvelles solutions permettant le stockage et le transport de l’énergie thermique issue de RTI. Ainsi, cette thèse s’inscrit dans la dynamique du développement de systèmes de stockage pour la valorisation de chaleur fatale industrielle dans le cadre du projet VALENTHIN.
Il existe trois types de stockage de chaleur : par chaleur sensible, par chaleur latente et par voie thermochimique. Le premier permet de stocker la chaleur en élevant la température d’un matériau inerte. La seconde technologie consiste à utiliser la chaleur latente élevée de la transition de phase solide-liquide ou solide-solide d’un matériau alors que la troisième vise à stocker la chaleur des réactions endothermiques réversibles. Si les systèmes de stockage par chaleur sensible présentent une maturité assez élevée, surtout lorsque la technologie mise en œuvre est simple, le stockage par voie thermochimique est toujours à l’état de recherche et reste encore à un niveau de maturité faible. Le stockage latent, quant à lui, a connu un regain d’intérêt avec le développement des centrales solaires à concentration à production directe de vapeur.
Une installation combinant stockage sensible et latent a notamment vu le jour en Espagne dans cadre des projets DISTOR et ITES [3] dont l’objectif était de développer un système de stockage de chaleur pour la production continue jour/nuit d’électricité dans une centrale solaire à concentration à génération directe de vapeur. La chaleur produite en excès par le champ solaire durant les pics d’ensoleillement est stockée dans un réservoir combinant système sensible et système latent, comme présenté sur la Figure I-5 puis restituée lorsque les pics de consommation électrique sont les plus importants.

Stockage thermique

Le stockage de l’énergie thermique permet à la chaleur d’être utilisée en différé. La chaleur peut être stockée sous plusieurs formes:
– La chaleur sensible : stockage dans des matériaux inertes
– La chaleur latente : utilisation de matériaux à changement de phase qui emmagasinent l’énergie à mesure qu’ils changent de phase.
– La chaleur des réactions : thermochimie et absorption

Stockage sensible

Le stockage sensible est le moyen le plus commun de réutiliser la chaleur [4]. Dans les enceintes de stockage sensible, la température du moyen de stockage augmente avec la chaleur transférée. Ce stockage, non isotherme accumule une quantité de chaleur proportionnelle à sa masse et à sa capacité calorifique telle que présentée dans l’équation (II-1) [4]: Esensible = ∙ p ∙ ∆ (II-1)
Dans ces types de stockage, le matériau de stockage se présente soit sous forme liquide, soit sous forme solide, soit les deux.
Dans les réservoirs de stockage solide, le matériau de stockage est conditionné sous forme de lit granulaire ou matriciel fixe et l’échange de chaleur est réalisé via un fluide caloporteur qui transfère sa chaleur via un échangeur de chaleur ou qui traverse directement le matériau de stockage poreux. Dans ce cas, le réservoir de stockage s’appelle un régénérateur. Lorsque le fluide caloporteur est un gaz, sa capacité calorifique étant très faible devant le matériau de stockage, sa contribution au stockage est négligeable. Lorsque le fluide caloporteur est un liquide, alors, sa contribution au stockage n’est pas négligeable et le système est appelé dual. Le solide le plus utilisé est le béton de par son faible coût, sa facilité d’usage et sa disponibilité, ses propriétés de résistance mécanique mais surtout sa capacité calorifique élevée [5]. D’autres matériaux peuvent être considérés comme les roches, le sable ou encore les matériaux réfractaires comme la silice ou l’alumine.
Dans les réservoirs de stockage liquide, il est possible de profiter de la stratification naturelle du matériau et de stocker du fluide chaud et du fluide froid dans un même réservoir. Ce type de réservoir s’appelle thermocline et présente une couche chaude dans la partie supérieure et une couche froide dans la partie inférieure ainsi que d’une zone de gradient thermique entre les deux. C’est précisément cette zone que l’on nomme thermocline. Le gradient entre la couche chaude et la couche froide dépend des propriétés du matériau de stockage ainsi que des débits du fluide caloporteur circulant dans le système de stockage. Lorsque l’on utilise un régénérateur, c’est-à-dire lorsque le matériau de stockage est une matrice solide dans laquelle circule un fluide caloporteur, il est possible d’obtenir une stratification thermique plus grande sur une plus petite hauteur de réservoir grâce aux propriétés d’inertie thermique de la matrice solide et de réduire ainsi les volumes de stockage [6]. Il existe par ailleurs des systèmes de stockage thermique liquide où le chaud et le froid sont stockés dans deux réservoirs différents, si bien que les volumes de stockage sont multipliés par deux. C’est le cas dans certaines centrales solaires à concentration, comme Solar Two aux Etats-Unis [7].Dans la catégorie des liquides, on trouve les sels fondus, les huiles minérales ou synthétiques ou plus communément l’eau, utilisée notamment dans les ballons d’eau chaude, stockage de chaleur sensible le plus répandu [6].

Comparaison des systèmes de stockage

Tous les systèmes de stockage sont utilisés selon trois étapes majeures : la charge, le stockage et la décharge. Un grand nombre de moyens de stockage peuvent être identifiés selon leurs propriétés, leur température d’utilisation, le type de stockage souhaité et le domaine d’application envisagé. Les stockages ont différents potentiels comme le décrit H. Mehling et L.F. Cabeza [4]. Pour sélectionner le type de stockage, il conviendra de regarder pour quelle application il sera mis en œuvre. Par exemple, les systèmes latents et sensibles seront plutôt utilisés comme stockage tampon pour lisser la production ou différer l’utilisation de l’énergie. Alors que les stockages thermochimiques seront plus adaptés à un stockage de long terme ou inter-saisonnier qui emmagasinerait la chaleur produite en excès par certaines installations l’été pour la restituer l’hiver. Dans le cadre de cette thèse, c’est la valorisation de la chaleur fatale industrielle en interne qui a été retenue. L’échelle de temps est donc plutôt celle de la journée et non de la saison.
Par ailleurs, chaque système de stockage a un degré de maturité différent. Les systèmes de stockage sensible ont été expérimentés dans de nombreux prototypes ou à l’échelle d’une centrale solaire, comme le détaillent Medrano et al. [7]. La technologie du chauffe-eau sanitaire est particulièrement mature. Cependant, lorsque les niveaux de température dépassent 100 °C, le stockage par chaleur sensible nécessite encore un effort de R&D pour améliorer la tenue des matériaux, les aspects corrosion ou augmenter la stratification thermique dans les réservoirs. Les Matériaux à Changement de Phase sont mis en œuvre dans des applications pilotes qui émergent peu à peu dans le domaine du stockage thermique. On peut notamment citer l’exemple du projet ITES qui met en place un prototype de stockage latent utilisant du NaNO3, combiné à un étage sensible pour une centrale solaire à génération directe de vapeur [3]. De nombreux efforts de recherche perdurent cependant pour déployer de tels systèmes à échelle industrielle. Par ailleurs, de par sa grande densité énergétique, le stockage thermochimique est prometteur mais n’est pour l’instant envisagé qu’à l’échelle du laboratoire étant donné la complexité de mise en œuvre. De nombreuses recherches sont en cours pour développer de tels systèmes.
Ainsi, en raison du faible degré de maturité technologique et des échelles de temps qui sont plutôt propices au stockage inter-saisonnier, le stockage thermochimique n’est pas retenu comme solution de valorisation de chaleur fatale d’une industrie en interne.
D’un point de vue économique, l’évaluation nécessite de prendre en compte les coûts d’investissement mais aussi d’exploitation, de maintenance et de recyclage. Ces coûts varient souvent en fonction du volume de stockage. La densité énergétique, c’est-à-dire la quantité d’énergie stockable par unité de volume, est ainsi un critère primordial. Pour le stockage sensible, c’est le produit de la capacité calorifique, du gradient de température ainsi que de la masse volumique qui permet de calculer cette grandeur. Pour comparer les matériaux, un gradient de 100 °C a volontairement été utilisé, à part pour l’eau qui ne peut pas être utilisée sur une plage de 100 °C. Pour le stockage latent, la chaleur latente est multipliée par la masse volumique. Pour le stockage thermochimique, enfin, la chaleur de réaction divisée par la masse molaire de produit permet de calculer la densité énergétique.

Cas d’étude de systèmes de stockage latent pour la valorisation des RTI

Après avoir sélectionné la technologie des MCP, quelques exemples de valorisation de RTI par stockage latent sont présentés ci-après. Ils concernent uniquement des systèmes de stockage latent à l’étude ou déjà mis en place et utilisés à l’heure actuelle.

Stockage latent pour la valorisation des RTI en externe

Une des possibilités de valorisation de chaleur fatale en externe est le transport de l’énergie thermique grâce à des réservoirs de stockage latent mobiles pour alimenter d’autres procédés industriels, mais aussi les réseaux de chaleur urbains ou industriels déjà existants. Par ce biais, la chaleur fatale peut être récupérée pour alimenter la distribution d’eau chaude sanitaire et le chauffage des bâtiments sur des réseaux lointains.
En 2008, un premier système de stockage latent a été développé au Japon pour alimenter les réseaux de chaleur urbains [14]. Le système de stockage consiste en un échangeur à contact direct, rempli d’huile thermique, utilisée comme fluide caloporteur et d’érythritol, utilisé comme matériau de stockage. Avec son point de fusion situé autour de 118 °C, ce MCP permet en phase de décharge de restituer la chaleur à une température d’au moins 90°C, correspondant au point d’aller des réseaux de chaleur urbains. Un schéma du procédé et du camion stockeur sont présentés sur la Figure II-2.
Lorsqu’il est utilisé avec un autre MCP, ce même système peut servir à alimenter non pas des réseaux de chaleur mais d’autres industries. Tel est le cas de l’étude de Nomura et al.[15] qui proposait en 2010 de transporter dans un tel camion-stockeur des RTI à plus de 300 °C provenant d’une aciérie pour alimenter une tour de distillation de toluène, benzène et xylène située à 10 km de distance.
En 2013, une société allemande Latherm [16] propose également un camion-stockeur capable de transporter la chaleur fatale d’un site industriel vers le secteur résidentiel/tertiaire. Le camion est en réalité un échangeur de chaleur immergé dans un MCP, ici l’acétate de sodium.
Avec un point de fusion autour de 58 °C, ce système peut donc stocker la chaleur dans une gamme de température allant de 40 à 100°C. La chaleur est restituée à une température proche de 58 °C. En comptant la part d’énergie latente et la part d’énergie sensible, le système peut en théorie stocker jusqu’à 2,5 MWh. Une photo du dernier camion développé par cette société est présentée sur la Figure II-3.
Un autre de ces systèmes de stockage et transport de l’énergie utilisant l’érythritol est actuellement à l’étude en Suède [17]. Le système de stockage à proprement parler consiste en un faisceau de tubes immergé dans de l’érythritol, utilisé comme matériau de stockage. Un schéma de l’échangeur est proposé sur la Figure II-4.
Une étude numérique en 3D est ensuite réalisée pour analyser les courbes de puissance échangée dans un tel réservoir de stockage en charge et en décharge. Le système est dimensionné plutôt pour la décharge puisque c’est la phase de restitution de la chaleur qui est déterminante.
En résumé, le transport de l’énergie thermique par stockage latent permet d’apporter l’énergie là où les besoins correspondent aux niveaux de température des RTI. Cela peut être le cas d’industries situées à quelques kilomètres du gisement de chaleur fatale, ce qui permet de limiter la consommation énergétique et l’impact carbone de l’industrie réceptrice. C’est aussi le cas de réseaux de chaleur qui ne se situeraient pas forcément à proximité de la source de chaleur fatale.

Stockage latent pour la valorisation des RTI en interne

Un exemple connu à ce jour de valorisation de chaleur fatale industrielle sur un même site est la batterie thermique BatTherm© développée par la société Stiral [18], en Isère. Ce réservoir de stockage se compose d’un échangeur de chaleur et d’érythritol dont le point de fusion est de 118 °C. Cette batterie thermique propose de récupérer la chaleur fatale sur un site industriel avec des rejets thermiques entre 130 et 180 °C. Ce prototype présenté sur la Figure II-5 est pour l’instant en phase de tests sur le campus de l’Université de Grenoble mais il pourrait être implanté dans des usines pour valoriser la chaleur de procédés cycliques par exemple.
Pour l’instant, aucune publication n’est à recenser pour la valorisation de la chaleur fatale au sein même d’une industrie par un système de stockage par chaleur latente.
Le cas qui s’en approche le plus est celui de la centrale de cogénération Steag Energie en Allemagne qui produit de la vapeur saturée pour différents procédés industriels. Un brûleur de back-up est constamment allumé afin d’assurer la qualité de la vapeur et pallier les éventuels dysfonctionnements de la turbine à gaz. L’implémentation par le centre de recherche DLR [19], d’un système de stockage par MCP en amont de ce brûleur d’appoint vise à réduire la charge du brûleur et limiter la consommation énergétique globale du procédé comme solution alternative au démarrage d’une chaudière. La chaleur produite en excès serait ainsi récupérée lors des phases de fonctionnement nominal et utilisée pendant les phases de démarrage du brûleur. Un schéma du procédé avec implantation du système de stockage est présenté sur la Figure II-6 a). Une étude numérique permet de dimensionner le système de stockage latent pour l’application visée et est illustrée sur la Figure II-6 b).

Table des matières

NOMENCLATURE
CHAPITRE I: INTRODUCTION ET CONTEXTE DE L’ETUDE
1. CONSOMMATION DE CHALEUR DANS LES INDUSTRIES
2. LA CHALEUR FATALE : GISEMENTS ET NIVEAUX DE TEMPERATURE
3. SCENARIOS POUR LA VALORISATION DES RTI ET DEFINITION DU PROJET VALENTHIN
4. PLAN DE LA THESE
CHAPITRE II: ETAT DE L’ART
1. STOCKAGE THERMIQUE
1.1. Stockage sensible
1.2. Stockage latent
1.3. Stockage thermochimique
1.4. Comparaison des systèmes de stockage
1.5. Cas d’étude de systèmes de stockage latent pour la valorisation des RTI
2. LES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE
2.1. Critère de sélection d’un bon MCP
2.2. Types de MCP
2.3. Comparaison des MCP
3. PROBLEMATIQUE DE LA THESE
4. AMELIORATION DU TRANSFERT THERMIQUE DANS LES MCP
4.1. Actions sur le matériau à changement de phase
4.2. Echangeur actif
4.3. Augmentation de la surface d’échange
5. SYNTHESE DE L’ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ET STRATEGIE ADOPTEE
CHAPITRE III : ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DES TRANSFERTS THERMIQUES DANS DIFFERENTS ECHANGEURS
1. OBJECTIFS
2. PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL A BASSE TEMPERATURE
2.1. Description détaillée de l’installation expérimentale
2.2. Description des sections d’essais
2.3. Choix du MCP
3. CAMPAGNE D’ESSAIS
3.1. Protocole expérimental
3.2. Température d’injection
3.3. Variation du sens de l’injection et de l’orientation
3.4. Caractéristiques thermo-hydrauliques
3.5. Comparaison des conditions d’essais
4. RESULTATS EXPERIMENTAUX
4.1. Comparaison des charges
4.2. Comparaison des décharges
5. SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE IV : MODELISATION DU CHANGEMENT DE PHASE SOLIDE – LIQUIDE
1. OBJECTIFS
2. ETAT DE L’ART SUR LA MODELISATION DU CHANGEMENT DE PHASE SOLIDE-LIQUIDE
2.1. Problème simple du changement de phase
2.2. Récapitulatif des modèles existants dans la littérature
3. MODELISATION DU CHANGEMENT DE PHASE SOLIDE-LIQUIDE
3.1. Présentation du modèle
3.2. Géométrie
3.3. Maillage
3.4. Propriétés thermo-physiques des matériaux
3.5. Conditions aux limites
4. INFLUENCE DES PERTES
4.1. Charge par le haut
4.2. Décharge par le bas
5. IMPORTANCE DE LA CONVECTION NATURELLE
5.1. Charge par le haut
5.2. Décharge par le bas
6. MODELE DE DIMENSIONNEMENT
6.1. Réduction du domaine d’étude
6.2. Modèle purement conductif
7. SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE V: METHODE DE COMPARAISON DES PERFORMANCES DES SYSTEMES DE STOCKAGE LATENT
1. OBJECTIFS
2. ETAT DE L’ART SUR LES METHODES DE COMPARAISON EXISTANTES
2.1. Méthode numérique de Guelpa et al. [122]
2.2. Méthode expérimentale de N.H.S. Tay [113]
2.3. Méthode numérique de N.HS. Tay et al. [100]
3. STRATEGIE ADOPTEE
3.1. Analyse des performances à partir de modèles CFD
3.2. Analyse des performances à partir du fluide caloporteur
3.3. Variation des conditions limites
3.4. Variation des paramètres géométriques de l’échangeur
3.5. Conclusion
4. NOUVELLE METHODE DE COMPARAISON DES PERFORMANCES
4.1. Maillage expérimental
4.2. Energie stockée ou restituée par le système
4.3. Détermination des températures initiale et finale
4.4. Temps caractéristique
4.5. Adimensionnement
5. VALIDATION DE LA METHODE EXPERIMENTALE PROPOSEE
5.1. Validation sur le design à ailettes longitudinales
5.2. Validation sur le design à ailettes circulaires
6. APPLICATION DE LA METHODE EXPERIMENTALE
6.1. Rappel des grandeurs caractéristiques de chaque design
6.2. Comparaison des designs de stockage
6.3. Autres critères de comparaison
6.4. Section d’essais avec ailettes en aluminium
7. SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE VI : STOCKAGE LATENT DES REJETS THERMIQUES INDUSTRIELS ENTRE 100 ET 200 °C
1. OBJECTIFS
2. MCP ENVISAGES POUR L’APPLICATION
2.1. Présentation des MCP
2.2. Enthalpie et température de changement d’état
2.3. Comparaison des MCP
3. PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
3.1. Objectifs
3.2. Description détaillée de l’installation
3.3. La section d’essais
3.4. Instrumentation
3.5. Remplissage
4. RESULTATS
4.1. Protocole expérimental
4.2. Charges
4.3. Décharges
4.4. Caractérisation après cyclage sur l’installation
4.5. Densité énergétique et temps caractéristique adimensionnel
5. SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE VII: CONCLUSION ET PERSPECTIVES
1. CONCLUSION
2. PERSPECTIVES
REFERENCES

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