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1 Spécialité Génie Climatique et Energétique 5 ème année de formation Projet de Fin d Etudes FICHE DE LECTURE Etude : Modéliser les équipements thermiques usuels d une usine agroalimentaire type Elève : Romuald Fréchard Tuteur : Flavien Verjat Tuteur institutionnel : Alain Triboix Entreprise : EcoGreenEnergy Dates du PFE : 28 janvier au 14 juin /5

2 Présentation du projet A ) Contexte EcoGreenEnergy est une entreprise spécialisée dans le diagnostic énergétique, la conception et la mise en œuvre d installations visant à réduire les consommations en énergie thermique des procédés industriels. Ainsi, dans une constante amélioration des solutions qu elle met en œuvre, EcoGreenEnergy développe un logiciel informatique capable de modéliser n importe quelle chaîne énergétique pour ses usines auditées. Ce logiciel est baptisé IEMT (Interactive Energy Mapping Tool). Pour chaque usine auditée, l équipe d EcoGreenEnergy pourrait modéliser le process industriel via le logiciel IEMT et s en servirait pour proposer des solutions d économie d énergie. Cette modélisation serait ensuite fournie au client afin qu il y intègre au jour le jour les caractéristiques variables de son installation et qu il en déduise ainsi le pilotage le plus efficient. Ce logiciel doit donc intégrer le prix des énergies afin que le client puisse piloter son installation de manière la plus économique possible. L expérience d EcoGreenEnergy montre que la plupart des entreprises pilotent leur installation «historiquement», c'est-à-dire avec des paramètres habituels qui assurent le bon fonctionnement mais pas ou peu optimisés énergétiquement. B ) Les étapes du projet Ses principaux clients étant des usines agroalimentaires, ce bureau d étude retrouve toujours plus ou moins les mêmes équipements consommateurs d énergie thermique lors de ses audits. Ainsi, la première étape de ce projet fut de repérer et lister ces équipements. Cependant chaque usine est différente des autres et intègre souvent des équipements propres à son procédé de fabrication que l on ne retrouve pas dans d autres usines. Il a donc fallu retenir les équipements les plus récurrents et jugés les plus importants par EcoGreenEnergy. La seconde étape a consisté en la recherche de fonctionnement de chaque équipement. Il a donc fallu rechercher pour chaque équipement les différentes technologies proposées sur le marché, ses caractéristiques techniques dont l équipe d EcoGreenEnergy disposera pour caractériser l appareil qu elle voudra modéliser, et surtout les équations régissant son fonctionnement. La troisième étape a porté sur la modélisation de chaque équipement. Pour se faire, c est le logiciel Excel qui a été privilégié et la programmation sous Visual Basic for Applications (VBA), car ce dernier est aisément accessible pour un élève ingénieur, il permet l utilisation de modules complémentaires tel que REFPROP et enfin il est compréhensible pour n importe quel ingénieur, ce qui est pratique pour l équipe d EcoGreenEnergy. Ainsi, pour chaque équipement, un fichier Excel a été créé afin de modéliser son fonctionnement. La base de calcul ainsi crée en code VBA pourra être traduite par un informaticien pour son intégration logicielle. Une piste possible serait d utiliser le logiciel Microsoft Visio qui s appuie également sur un langage VBA et qui est à la base un logiciel dédié à l élaboration de schémas professionnels. L idée serait donc d utiliser ce logiciel pour créer le schéma de la chaîne énergétique étudiée pour mettre en interaction les différents modèles crées dans le cadre de ce projet et ainsi modéliser un process. 1/5

3 C ) Les différents équipements étudiés Une multitude d éléments étaient envisageables pour être étudié. Cependant, pour des raisons de temps, seuls les équipements jugés les plus récurrents et les plus importants ont été sélectionnés pour être modélisé. En voici la liste : - La chaudière : utilise un combustible pour chauffer un fluide caloporteur - L échangeur de chaleur : transfert de l énergie thermique d un fluide chaud vers un fluide froid - La pompe : utilise de l énergie électrique pour faire circuler un fluide dans une installation - Le ventilateur : utilise de l énergie électrique pour faire circuler de l air dans un conduit - La turbine vapeur : récupère l énergie cinétique d un fluide et la transforme en énergie électrique - Le séchoir : sèche de la matière humide avec de l air sec (Humidité relative faible) - La tour aéroréfrigérante : refroidit un fluide par évaporation d eau pulvérisée et brassée par de l air - Le concentrateur : réduit la proportion d eau d un fluide par évaporation de celle-ci - Le dégazeur thermique : réduit la concentration d air dissous dans l eau desservant une chaudière vapeur pour rallonger sa durée de vie et celle des tuyauteries acheminant la vapeur vers les utilisateurs - La colonne de distillation : augmente le titre en alcool (ou autre espèce chimique) d une solution par évaporation et refroidissement de cette dernière. La même méthodologie a été utilisée pour modéliser chaque équipement. En effet, l étude de chaque équipement a commencé par la recherche d informations sur les différentes technologies disponibles sur le marché et leur fonctionnement. Puis, il fallait trouver les équations générales régissant le fonctionnement de l appareil et en déduire deux types de paramètres : les paramètres fixes propres à l équipement et les paramètres variables relatifs aux fluides utilisés par l équipement. Enfin, pour calculer les puissances mises en jeu, on raisonne en permanence sur les enthalpies des fluides. Or, lors d un audit on connaît plus souvent la température d un fluide que son enthalpie massique. C est pourquoi des macros déterminant l enthalpie de certains fluides ont été développées lors de ce projet. D ) Présentation de REFPROP REFPROP (Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database) est un logiciel développé par le NIST (National Institute of Standards and Technology) à Boulder dans le Colorado aux Etats-Unis. Il s agit d un programme qui ne contient pas d informations expérimentales, excepté le point critique et triple des fluides pures. Le programme utilise des équations de thermodynamiques et de propriété de transport pour calculer les caractéristiques de l état des fluides et mélanges. Ces équations sont les plus précises connues à ce jour. 2/5

4 EcoGreenEnergy possède une version de ce logicielle sous Excel et peut connaître un large choix de propriétés d un fluide ou d un mélange dans un simple tableur Excel. Par exemple, pour un fluide ou un mélange donné, on peut connaître les propriétés suivantes : - Température - Pression - Masse volumique - Facteur de compressibilité - Masse volumique du liquide - Masse volumique de la vapeur - Volume massique - Enthalpie - Entropie - Chaleur massique à volume constant Cv - Chaleur massique à pression constante Cp - Vitesse du son dans le mélange - Chaleur latente de vaporisation - En tout, il y a 39 propriétés calculables à partir de deux paramètres. Ce logiciel a été très utile dans la modélisation des différents équipements, cependant comme tout bon logiciel, il a ses limites. En effet, REFPROP n est pas assez performant pour donner les caractéristiques de mélange tels que Ethanol + Eau, ce qui aurait été utile pour modéliser la colonne de distillation. Puis, il ne renseigne pas non plus toutes les caractéristiques d un air humide telle que la température humide, ce qui aurait été utilisé dans le cadre de la tour de refroidissement pour calculer des grandeurs caractéristiques comme l écart ou l approche. C est pourquoi la création d une macro calculant toutes les caractéristiques d un air humide a été nécessaire pour la modélisation de plusieurs équipements. E ) Caractéristiques de l air humide Le logiciel REFPROP ne fût pas assez complet pour renseigner toutes les caractéristiques d un air humide, ainsi a-t-il fallu créer une macro calculant toutes ces grandeurs. Ainsi, la connaissance de la pression atmosphérique P atm, de la température sèche Ɵ s et de l humidité relative Ψ d un air humide nous renseigne directement sur : - sa température humide Ɵ h - sa température de rosée Ɵ R - sa pression partielle de vapeur p v - sa pression de vapeur saturante p v, sat - son humidité absolue r s - son enthalpie spécifique h s - sa masse volumique ρ - son volume spécifique v s. Les équations nous renseignant sur ces caractéristiques sont celles vu dans le cours de l air humide dispensé par M. ERB en classe de GCE 3. 3/5

5 F ) Détermination de l enthalpie d un mélange eau/éthanol REFPROP ne calculant pas l enthalpie d un mélange eau/éthanol, il a fallu trouver une solution pour la déterminer afin de pouvoir l intégrer dans la modélisation de la colonne de distillation. Le diagramme de Ponchon-Savarit est une méthode graphique pour connaître l enthalpie d un mélange de fluides non azéotrope. En considérant une solution eau/éthanol à une pression modérée P (de 0,1 à 3 bars), la partie vapeur est supposée idéale mais la partie liquide ne peut pas être supposée idéale. En effet, Cette dernière va faire intervenir une grandeur que l on va appeler enthalpie d excès. Les formules donnant l enthalpie d un mélange eau/éthanol sont les suivantes : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( )] ( ) ( ) Avec : H L : H V : H E : x éthanol : y éthanol : C P,L,éthanol : C P,L,eau : C P,V,éthanol : C P,V,eau : λ éthanol : λ eau : T : T ref : Enthalpie molaire du mélange eau/éthanol sous forme liquide Enthalpie molaire du mélange eau/éthanol sous forme vapeur Enthalpie molaire d excès Fraction molaire d éthanol dans la solution liquide Fraction molaire d éthanol dans la solution vapeur Capacité thermique molaire de l éthanol sous forme liquide Capacité thermique molaire de l eau sous forme liquide Capacité thermique molaire de l éthanol sous forme vapeur Capacité thermique molaire de l eau sous forme vapeur Chaleur latente de vaporisation molaire de l éthanol + énergie nécessaire pour le chauffage de la phase liquide entre 0 C et la température d ébullition Chaleur latente de vaporisation molaire de l eau + énergie nécessaire pour le chauffage de la phase liquide entre 0 C et la température d ébullition Température de la solution Température d ébullition du fluide concerné Pour calculer l enthalpie d excès, on utilise la fonction suivante : ( )( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ) Avec : ( ) (m Є {0 ; 0.5 ; 1.5 ; 2.5 ; 4.5}) Où les coefficients b m, c m et d m sont des données tabulées. L inconvénient de cette macro qui calcule l enthalpie du mélange eau/éthanol en fonction de sa température, de sa pression et de son titre massique en éthanol, c est qu elle demande un nombre de calculs important, donc un temps de calculs relativement long. Ainsi, afin de réduire ce temps de calculs, la création de tables donnant la valeur de l enthalpie en fonction de plusieurs valeurs des grandeurs de référence a été nécessaire. En effet, pour chaque pression P de 0.1 à 3 bars (P=0.1 ; 0.2 ; 0.3 ; ; 2.9 ; 3), une table donne l enthalpie de la solution pour une température allant de 1 à 200 C (T=1 ; 2 ; 3 ; ; 199 ; 200) et le titre massique en éthanol allant de 0 à 1kg/kg (x éthanol= 0 ; 0.05 ; 0.1 ; 0.15 ; ; 0.95 ; 1). 4/5

6 Conclusion Les modélisations réalisées ont été créés dans un but précis : aider les ingénieurs de la société EcoGreenEnergy à réaliser des audits de plus en plus complets et pertinents. Ainsi, si les modèles proposés n ont pas la logique de fonctionnement que l on aurait pu attendre, c est avant tout parce qu ils sont élaborés de manière pragmatique pour répondre aux besoins de leurs futurs utilisateurs qui, dans la majorité de leurs audits, ne connaissent que certaines informations sur le fonctionnement des équipements thermiques mis en jeu. Ainsi, c est pourquoi la plupart des modélisations est orientée vers le calcul de la consommation énergétique des équipements modélisés et par les caractéristiques des fluides en sortie de ces appareils. A titre d exemple, plusieurs modélisations ont été utilisées au cours de ce projet de fin d études dans des audits énergétiques réalisés par la société. Les modélisations ont été développées dans une optique «d adaptabilité». En effet, l idée est que pour un équipement thermique donné, n importe quelle référence disponible sur le marché est modélisable. Cependant cette polyvalence a un côté négatif qui est que l on ne peut pas rentrer au cœur du fonctionnement d un modèle d équipement particulier et l on est donc obligé d utiliser des formules générales qui sont applicables à tous les types de technologies existantes. Puis, afin d éviter des erreurs dues à des données en entrée qui ne seraient pas compatible avec le fonctionnement de la modélisation, on a mis en place des bornes de fonctionnement qui empêchent l utilisateur de rentrer des données erronées dans les modèles afin d éviter tout résultat défectueux. Contrairement à ce que l on pourrait croire, ce n est pas la recherche des formules régissant le fonctionnement des équipements thermiques étudiés qui a été le plus dur dans ce projet, en effet, les modules suivis ces 3 dernières années et la collection de ressources documentaires des techniques de l ingénieur disponible à la société étaient très complet de ce point de vue. En effet la difficulté majeure de ce projet fut d apprendre à maîtriser le langage VBA que l on n apprend pas pendant notre cursus. La seconde plus grosse difficulté fut de trouver des tables renseignant sur l enthalpie d un mélange eau/éthanol en fonction de sa température, sa pression et son titre massique en éthanol. En effet, pour ce dernier point, M. Triboix m a immédiatement orienté vers le spécialiste en chimie M. Denier qui m a remis une thèse sur le sujet. Bien que cette thèse ne me renseigne pas sur la plage de température qui m intéressait, c est en lisant celle-ci et en apprenant la méthode à utiliser pour calculer une enthalpie de mélange que j ai trouvé un site internet qui utilisait les mêmes formules, mais qui cette fois utilisait des valeurs tabulées correspondant au régime de température recherché. La possibilité de réaliser un tel projet m a permis de me familiariser avec la branche des audits énergétiques dans l industrie. En effet, cette filière très intéressante et peu exploité dans le cursus de la spécialité Génie Climatique et Energétique demande de bonnes connaissances dans les équipements thermiques industriels. A titre d exemple, ce projet m a fait découvrir plus en détail des équipements tels que les dégazeurs thermiques ou encore les colonnes de distillation, que ce soit leur fonctionnement ou leurs différentes technologies. 5/5

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