Projet PACO Appel à projets EESI 2009 Jean-François Bérail, EDF R&D
Le projet PACO Développement d une pompe à caleur aute température utilisant l eau comme fluide de travail Organismes de recerce : Institut Polytecnique de Bordeaux Cetil AgroParisTec Entreprises : EDF R&D (Coordinateur) France Evaporation Jonson Controls Projet labellisé par les pôles de compétitivité : AXELERA, CAPENERGIES Budget (k ) Aide (k ) Nombre de personne.an 3 202 1 279 17 Date de démarrage : 01/12/2009 Date de fin prévue: 30/11/2013
Contextes et enjeux Contexte industriel» Rejets de calories à aute température (90 C)» Besoins de calories à température supérieures (130 C)» Pompes à caleur usuelles disponibles limitées à 80 C Contexte équipementiers» Nombreux travaux sur PAC HT avec fluide de syntèse (R245fa)» Mais avantages de l eau à ces températures : température critique, pression, GWP, sécurité, performances, disponibilité, coûts, avenir Objectif principal : développer une PAC utilisant l eau comme fluide de travail 3
(taux compression) Delta T saturation en K Résultats majeurs escomptés Mise au point de nouvelles tecnologies PAC à très aute température à eau Compresseurs de vapeur pour cette PAC mais utilisables en CMV Compresseur à vis Compresseur centrifuge à paliers magnétiques 50 45 Seuil minimum visé par le projet 40 (3,9) Extension des taux de compression : compresseur à vis 35 30 (2,8) Seuil minimum visé par le projet 25 20 (2,0) LOBES Extension des taux de compression : compresseur centrifuge à paliers magnétiques 15 10 (1,4) MULTI-ETAGEES SOUFFLANTES 5 (1) 0 100 1000 Débit en kg/ 10000 100000 4
Défis tecniques PAC Résoudre les problèmes liés au vide partiel : démarrage de la PAC avec présence d air, élimination des incondensables (modélisation CETHIL, expérience France Evaporation) Gérer les problèmes de surcauffe de la vapeur lors de la compression Réduire les pincements aux écangeurs Compresseur à vis Concevoir des étancéités sur l arbre (sous vide et sous pression) Assurer une désurcauffe convenable et sûre en cours de compression Compresseur centrifuge (expérience Jonson Controls) Calculer les roues pour atteindre les performances voulues (modélisation IPB) Gérer les risques de pompage du compresseur Gérer les paliers magnétiques en ambiance vapeur d eau Faire une démonstration industrielle 5
Principaux résultats atteints par le projet La conception/fabrication de la PAC (FE/EDF/CETHIL) La modélisation termodynamique de la PAC (CETHIL) Modélisation/fabrication du compresseur centrifuge (JCI / IPB) Cas types de valorisation de rejets (Agroparistec/EDF) 6
Scéma de principe PAC/ compresseur SRM/ compresseur JCI 7
Pompe à caleur/compresseur à vis
Pressure [Pa] Modélisation termodynamique de la PAC Stratégie et outils de modélisation Régimes transitoires (démarrage ) Caque composant du circuit modélisé (écangeur, compresseurs, ballon de purge ) Langage Modélica (sous environnement Dymola) d( M l ) dt du dt g T V air, in l, in v, in P v v v v P T V ml, in ml, out air air air air air& v in in Air sec Vapeur d eau evap Liquide Q lp air& v Q gp Q gl cond cond out out P T V l l l l T V c c Mélange de gaz evap P T V g g g g cond air, out l, out v, out l, sat Résultats meilleur contrôle de la purge de l air meilleure prévision de la procédure de démarrage possibilité d optimiser certains composants évap v, sat Q gl 250000 200000 150000 100000 50000 Q 0 gp Hig pressures evolution 0 1000 2000 Time [s] ( P air dv P v) dt g P''v P''a Pg
Modélisation et étude compresseur centrifuge Processus itératif 3 types d études Résultats acquis Coix du matériau (compromis poids/résistance/ ) Dimension et géométrie de la roue Performances prévues (limite basse) ΔT = 40 C (avec un risque de pompage à gérer) Avancement : Finalisation conception autres composants (moteur, volute, refroidissement)
Exemples de cas types de valorisation Etude économique menée sur la récupération des calories sur l air extrait de séceurs : rentabilité difficile aujourd ui, probable demain Cas identifiés en sécage de plâtre (intérêt des exploitants pour monter en température), en papèterie Etude sur colonnes à distiller (en cimie, pétrocimie, agroalimentaire ) Intérêt manifeste en pétrocimie (mais contraintes diverses) Un cas identifié en distillation d alcool (pourrait faire l objet d une réalisation) 11
Application de PACO sur colonne à distiller Vapeur alcoolique 78 C 2 t/ 1 bar Condenseur existant sur aéros Vapeur alcoolique 78 C 2 t/ 1 bar Condenseur/ évaporateur Produits 0.95 t/ Produits 0.95 t/ Vapeur d eau Séparateur/ évaporateur 73 C Alimentation 1.45 t/ Alcool/eau (55%/45%) Colonne D560 Alimentation 1.45 t/ Alcool/eau (55%/45%) Colonne D560 Liquide Compresseur Purges ~.7 t/ Vapeur directe 1 t/ 110 C Vapeur directe 1 t/ 110 C Détente 1.3 bar 1.3 bar 106 C 1.5 t/ Eau à 2.5 % Extrait Sec 106 C ~1.5 t/ Eau à 2.5 % Extrait Sec Différents scémas sont possibles : PAC en circuit fermé, PAC en circuit semi ouvert (Compression Mécanique de Vapeur avec suppression évaporateur -comme ici- ou condenseur) Pcaud = 750 kw Pélec =125 kw COP = 6
Conclusions Applications : Intérêt manifeste des compresseurs développés pour utilisation en PAC ouverte ou semi ouverte (CMV sur colonne à distiller) Intérêt économique de la PAC en sécage convectif se renforcera avec évolution du coût des énergies Autres applications potentielles au cas par cas Perspectives scientifiques et industrielles : Intérêt des compresseurs pour des applications de sécage en VES (séceurs à développer) Nécessité d étendre la gamme de débit du compresseur centrifuge Mais l essentiel reste à faire : la démonstration industrielle Essais de fiabilité, d endurance Réalisation industrielle 13
Merci de votre attention 14