SGE Recuperation Chaleur Perdu

5/10/2018 SGE Recuperation Chaleur Perdu

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PRt:FACEL'art et la science de la gestion de l'energie ont accompli des progres remarquables au coursde la derniere decennie. La gestion de I'energie est devenue une discipline serieuse dans le cadredu processus de gestion de la plupart des entreprises qui connaissent le succes.D'abord, au debut des annees 70, on a rnis sur pied des programmes d 'econornie d'energie afin

de reduire la menace de penurie d'energie que pesait sur Ie Canada, de rnerne que la dependancedu pays a l'endroit du petrole etranger. Toutefois, la hausse vertigineuse des prix n'a pas tarde adonner une signification nouvelle a l'expression economie d'energie: reduire Iecout de l'energie.Nombre d'industries, de commerces et d'organismes publics ont releve ledefi et abaisse les coutsd'energie jusque dans une proportion de 50070. On est ainsi arrive a utiliser l'energie de facon ration-nelle, grace a des mesures telles que des programmes d'information a l'intention du personnel,des moyens d'entretien plus apoint, la simple elimination du gaspillage, et en mettant de l'avantdes projets aptes a moderniser ou ameliorer les installations et l'equipement.Pour en arriver maintenant a econorniser d'avantage l'energie, it importe de mieux connaitre latechnologie et ses applications en plus d'avoir recours a des appareils a haut rendement energetique.Ala demande du Programme d'economie d'energie dans I'industrie canadienne, du Programmedes groupes de travail sur la gestion de l'energie dans les secteurs commercial et institutionnel,et d'associations professionnelles et commerciales interessees, la Division de l'energie industrielledu ministere de l'Energie, des Mines et des Ressources a elabore une serie de modules techniquesportant sur la gestion de l'energie.Ces manuels aideront les gestionnaires et le personnel d'exploitation a decouvrir les possibilitesde gestion de l'energie dans leur cadre de travail. On y trouve une quantite de renseignements prati-ques, notamment des equations mathernatiques, des renseignements generaux sur des techniqueseprouvees, ainsi que des exemples concrets d'economie d'energie.Pour obtenir de plus amples renseignements concernant les modules figurant dans la liste quisuit ou la documentation utilisee dans lecadre des ateliers, y compris les etudes de cas, veuillez ecrirea l'adresse suivante:

La Division de la gestion de l'energie dans lesentreprises et dans le secteur gouvernementalDirection des economies d'energieEnergie, Mines et Ressources Canada580 , rue BoothOttawa (Ontario)KIAOE4

Gestion de l'energie etparticipation des employesEvaluation de la consommationAnalyse financiere energetiqueComptabilite de la gestion energetiqueRecuperation de la chaleur perdue1 Isolation thermique des equipements2 Eclairage3 Electricite4 Moteurs electriques economiseursd'energie5 Combustion6 Appareillage de chaufferie7 Fours, secheurs et fours de cuisson8 Reseaux de vapeur et de condensat

9 Chauffage et refroidissement(vapeur et eau)10 Chauffage, ventilation et conditionnement d'air11 Refroidissement et pompes a chaleur12 Reseaux de distribution d'eau et d'aircomprime13 Ventilateurs et pompes14 Compresseurs et turbines15 Mesures et controle16 Regulation automatique17 Manutention des materiaux et

transport sur place18 Point de vue architectural19 Accumulation thermique20 Guide de planification et de gestion


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TABLE DES MATIERE pageINTRODUCTION

Objectifs 1Contenu 1

NOTIONS DE BASEIntroduction 3Principes fondamentaux de I'energie thermiqueChaleur et transmission thermiqueQualite et disponibihteChaleur perdueCascade

33333

Enthalpie des substancesChaleur sensible et chaleur latenteEnthalpieCalcul de la transmission de la chaleur sensibleCalcul de la transmission de la chaleur latente

44456

Mecanismes de transmission thermiqueRayonnementConductionConvection

7777

Techniques de recuperation de la chaleurL 'utilisation directeL'echangeur de chaleurLa pompe it chaleurLa surcompression de la vapeurSurcompression mecaniqueSurcompression thermique

Operations it eta pes multiples

8881011111213

Methodes de verification energetique 13SOURCES ET APPLICATIONS POSSIBLES DE LA CHALEUR PERDUE

Introduction 14Formulation de projets de recuperation de la chaleur perdueLa compatibilite entre la source et la demandeAccesslhlliteLa distance entre la source et la demandeLa forme et l'etat de la source de chaleur perdueQualite du produitNiveau de rechauffement necessaireLes aspects reglementatres

1414141415161616


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pageAPPAREILLAGEIntroduction 17Materiel d'echange de chaleurEchangeur de chaleur a calandre multitubulaireChaudleres de recuperation de chaleur perdueEehangeur de chaleur a tube a ailettesEchangeur de chaleur a serpentinEchangeur de chaleur a tubes concentriquesEchangeur de chaleur a plaquesSysteme a fonctionnement circulaireRoues a chaleurCaloducs (echangeurs de chaleur a thermosiphon)

1719202121222 32 42527

Equipement des pompes a chaleurGenres de pompes a chaleurElements d'une pompe a chaleurUtilisations des pompes a chaleur

2 8282831

Surcompression de la vapeurSurcompression mecaniqueSurcompression thermiqueApplications de la surcompressiun de la vapeur

31323333

Operations a etapes multiplesEvaporation a effets multiplesVaporisation eclair a etapes multiplesAutres operations a etapes multiples

33333435

POSSIBILITES DE GESTION DE L'ENERGIEPossihilites de maintenanceIdentification des sources de chaleur perdueElimination des pertes thermiquesReduction au minimum de la quantile de chaleur contenue dans lesrejets thermiques par des mecanismes de controle de maintenance

Maintenance des appareils meeaniques

3636363637

Possibllites d'amelioration de coflt modique 37Exemples concrets d'amelioration de cout modiqueUtilisation directe de la chaleur recuperableUtilisation des eaux usees de precede comme sourcethermique pour une pompe a chaleur

Recvclagedes gaz d'echappement (extraction) des secheurs

37373839

Possibilites de renovation 39Exemples concrets de renovationInstallation d'un echangeur de chaleurInstallation d'un caloduc

404042


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ANNEXESA GlossaireB TableauxC Facteurs de conversion


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La chaleur perdue peut etre percue comme de la chaleur rejetee par des installations dans I'environnement. Larecuperation et la reutilisation de cette chaleur offrent la possibilite de reduire les couts energetiques et d 'arneliorerla rentabilite des entreprises canadiennes. Bien que Ie rythrne de croissance des cofits energetiques ait ralenti au caursdes dernieres annees, la necessite de reduire la cansommation denergie persiste. Ce manuel presente une methodesystematique pour definir et realiser des projets de recuperation de la chaleur perdue dans les installations industrielles,commerciales et gouvernementales.Objectifs

Les objectifs de ce manuel tiennent dans les points suivants :o presenter les principes fondamentaux qui touchent la transmission thermique, la disponibilite de la chaleur,la recuperation et la reutilisation de la chaleur perdue;

o decouvrir les sources possibles de chaleur perdue a recuperer et les domaines d'utilisation possibles;o dis cuter des systernes d'equipement et des techniques disponibles pour la recuperation de la chaleur perdue;o presenter des etudes de cas et des exemples de recuperation de la chaleur perdue.

ContenuLe contenu de ce manuel a ete subdivise de la facon suivante :o les "Principes fondamentaux" traitent de la recuperation de Ia chaleur perdue, incluant les concepts neces-saires pour decouvrir Ia chaleur perdue recuperable, l'echange de chaleur et Ie pompage de la chaleur, les prin-cipes de fonctionnement, les facons de verifier la recuperation de la chaleur perdue, l'equilibre entre la masseet I'energie, la transmission en cascade et la regeneration de I'energie ernanant de la chaleur perdue;

o les "Sources et applications" traitent des sources de chaleur perdue et presentent des suggestions pratiquesQuant aux applications de la recuperation de la chaleur perdue;

o "Appareillage" decrit la theorie, Ie materiel et les applications de divers systernes de recuperation;o les "Possibilites de gestion de l'energie" presentent plusieurs exemples cancrets de projets de recuperationde la chaleur perdue afin de fournir un apercu des applications possibles de la chaleur perdue recuperee;

o les "Annexes" contiennent les tableaux, un gIossaire et des tables de facteurs de conversion.


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IntroductionLa reduction ou la reutilisation de la chaleur perdue fournissent une excellente occasion d'economiser sur Iecout energetique dans les installations industrielles, commerciales et gouvernementales au Canada. Cette section du

manuel vise it fournir ou it remernorer aux lecteurs les termes et outils de base necessaires a la quantification despossibilites d'economie et a fournir certains renseignements sur Ie materiel disponible pour reduire ou recuperer lachaleur perdue.Principes Fondamentaux de I'Energie ThermiqueChaleur et transmission thermique

L'experience demontre que lorsqu'un objet chaud entre en contact avec un objet froid, l'objet chaud se refroidittandis que I'objet froid se rechauffe, Cette energie en transit qui resulte d'un ecart de temperature est appelee "chaleur".Le fait que la chaleur passe toujours d'une temperature plus eleveea une temperature plus basse nous amene au principeque la temperature est I'element conducteur dans la transmission d'une energie comme la chaleur.

La' 'transmission thermique" traite du mecanisme par lequella chaleur passe d'un endroit a un autre, lorsqu'ilexiste un ecart de temperature entre deux objets.La chaleur semesure en kilojoules (kJ) d'energie et la chaleur transmise s'exprime habituellement avecune unitede temps, par exemple, k.I/s ou kJ/h.

Qualite et dlsponibiliteOn peut decrire Ia "qualite' de I'energie thermique comme sa capacite de provoquer un changement. En termesde chaleur perdue, c'est la quantite d'energie utile disponible par rapport a I'energie therrnique totale contenue dansune source de chaleur perdue.La "disponibilite" est un autre tefme utilise pour decrire la nature d'une source d'energie, Plus la qualite d'unesource d'energie est elevee, plus son energie est disponible a I'usage.Dans le cas d'une source de chaleur, c'est par la temperature qu 'on en mesure la qualite et la disponibilite. Plusla temperature d'une substance est elevee, plus la quantite d'energie thermique qu'on peut en extraire est elevee. La

plupart des precedes industriels et des usages commerciaux abaissent la temperature de I'energie thermique a mesurequ'ils s'en servent, et appauvrissent de ce fait la qualite de la chaleur.Chaleur perdue

On peut definir la chaleur perdue comme la chaleur contenue dans une substance rejetee au cours d'un pro-cede, it une temperature plus elevee que les niveaux de temperature ambiante d'une usine. Dans un sens plus large,la chaleur perdue est n'importe quelle source de chaleur rejetee dont une partie pourrait etre recuperee et reutiliseed'une facon economique, Comme on le decouvrira plus loin dans ce manuel, les sources de chaleur perdue peuventetre sous une forme gazeuse, solide au liquide.Cascade

On peut definir une cascade d'energie comme I'organisation du flux et la reutilisation de I'energie au moyende divers systemes, precedes et equipement de production, en vue de tirer Iemaximum d'efficacite de I'energie utili see.Essentiellement, ils'agit d 'utiliser la quantite maximale d'energie disponible provenant d' une source donnee, L'effica-cite maximale est obtenue par la degradation sequentielle ou I'appauvrissement de la qualite de I'energie au coursde l'accomplissement de chaque tache, de la merne facon que l'energie potentielle de I'eau qui tombe s'amenuisedans lesrapides et les cascades d'une riviere, C'est cette comparaison qui a mene a l'adoption du terme cascade pourdecrire Ie concept.

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L'econornie et I'aspect pratique sont des facteurs cruciaux qui limitent Ie nombre de cascades qu'on peut realiserdans un systeme. Dans la plupart des situations, on peut optimiser l'energie en cascade grace it des mesures de modifi-cation par lesquelles la chaleur perdue produite lors d 'operations executees a une temperature plus elevee est extraiteet reutilisee pour des taches necessitant une temperature relativement plus basse. Le fait d'utiliser les gaz d 'echappe-ment de la chaudiere com me source d'energie pour produire de I'eau chaude dans un immeuble a appartements plutotque d'avoir recours a la combustion directe de combustible, en est un exernple,Enthalpie des SubstancesIIfaut effectuer certains calculs pour determiner la teneur thermique des sources de chaleur perdue, Les lecteurstrouveront done plus loin une serie d'equations it leur intention. Comme on pourra Ie constater, la facon d'appli-quer I'une ou l'autre de ces equations peut dependre aussi bien de la nature du materiau que de son etat.Chaleur Sensible et Chaleur Latente

Lorsqu'on ajoute ou qu'on retire de l'energie thermique d'une substance, la temperature de cette substance change,au son etat se modifie.

On appelle chaleur sensible l'energie thermique associee it un changement de temperature. La quantite d'energiedepend de I'ampleur du changement de temperature, de la quantite du materiau et de sa chaleur specifique exprimeeen kJ/(kg,C).

On appelle chaleur latente l'energie thermique associee it une modification de l'etat (ou de la phase). La figureI illustre Ie processus de changement d'etat, de la glace it l 'eau, puis it la vapeur. Lorsque le changement d'etat s'effectuede la vapeur it l'eau, la chaleur latente de la condensation est enlevee, Lorsque Ie changement d'etat se fait de I'eauit la vapeur, la chaleur Itente de I'evaporation s'ajoute. Pour un materiau donne, la chaleur latente de I'evaporationest egale it celie de la condensation it une temperature et a une pression donnees,

La chaleur latente depend generalement des proprietes, de la temperature et de la pression du materiau, Les unitesde chaleur latente s'expriment en kJ /kg.

~"'" r-------------------r=======~-------r--~a . """"W:;;, Point d't'bullitiono /

- .' - - - ~ , . ~ .. . . . ,' ., I' ....

_ .. : . .,.Chaleurjouke"_

Exemple de changement d'etatFigure 1

EnthalpieLa quantite d'energie thermique dans une substance depend de sa capacite de rechauffement, du changement

de temperature qu'elle subit et du fait qu'elle passe au non par un changement de phase. Cette teneur en energie peutetre exprimee quantitativement par l'utilisation d'un terme connu comme "teneur thermique", au "enthalpie",habituellement code "h" (kJ /kg). Pour faciliter les calculs, on suppose que I'enthalpie de toutes les substances d'unsysteme est de zero it une temperature de base, Par exemple, cette temperature de base est a C pour les tables de vapeur.Pour la plupart des tables de refrigerants, la temperature de base est -40C.

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L'enthalpie est une propriete de I'etat d'une substance; cest-a-dire que pour un materiau donne, la valeur esttoujours la merne, a une temperature et a une pression donnees. Lamodification de 1 'enthalpie peut se calculer commesuit:

Dh =Hfinal - HinilialI)) Lenthalpie de l'eau (hI') est une mesure de la quantite d'energie thermique contenue dans I'eau (chaleur sensible)

a une temperature precise.III Lenthalpie de l'evaporation (hfg) (correctement appelee la chaleur latente de vaporisation) est la quantited'energie thermique necessaire pour convertir un kilogramme d'eau en un kilogramme de vapeur it une pressiondonnee.

I)) L'enthalpie de la vapeur (hg) est I'energie totale contenue dans la vapeur seche saturee it une pression donnee,Cette quantite d'energie est la somme de I'enthalpie du !iquide (hr) et de la quantite d'energie requise pourvaporiser un kilogramme d'eau a une temperature precise, (hrg ) et peut etre exprimee par l'equation suivante :

o u = I'enthalpie de la vapeur seche saturee (kJ/kg)hf = l'enthalpie de I'eau (kJ/kg)hfg = l'enthalpie de l'evaporation (kJ/kg)

Les enthalpies pour l'eau et la vapeur figurent au tableau 1 de l' Annexe.Calcul de la transmission de la chaleur sensible

On peut determiner la quantite de chaleur sensible qui est transmise it une substance it !'aide de l'equation suivante :Q = M X cp X DT

a u Q =Ia quantite de chaleur transmise (kI/h)M = la masse de la substance (kg/h)cp =la chaleur specifique de la substance (kI/kgC)DT = Ie differentiel de temperature

La "chaleur specifique", cp, d'un materiau est la quantite de chaleur absorbee par masse unitaire de materiaupour une hausse de temperature unitaire d'un corps, et s'exprime en kJ /kg- DC. Le tableau 2 de l'Annexe donne uneliste de valeurs cp pour divers rnateriaux.

On peut utiliser d'autres expressions pour la vitesse d'ecoulernent, pourvu que des facteurs de conversion ap-propries soient incorpores dans l'equation. Par exemple, on peut calculer approximativement la chaleur sensible trans-mise pour l'air par l'equation suivante :

Qs = fax (Tl - T2) x 4,345o u Qs = ecoulement de la chaleur sensible (kL'h)

fa = vitesse de I'ecoulement d'air (Lis)Tl = temperature plus chaude (0C)T2 = temperature plus fraiche Cc)4,345 = un facteur qui tient compte de la chaleur specifique de l'air sec et de sa conversion

en unites courantes5


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Le facteur 4,345 serait legerement augmente dans le cas d'air contenant de la vapeur d'eau, mais cette valeurest consideree comme assez juste it des fins d'estimation.

Exemple : Une installation rejette 10000 L/h d'eau de precede it 70 D C . Si I'eau est refroidie it 20 D C , cornbiende chaleur pourrait etre eventuellernent recuperee?Q =M x cp x DTMasse de I'eau = 10000 Lz'h x 1 kg/Lcp de l'eau = 4,18 k.L'kg- D C (tire du tableau 2)DT = (70 - 20)DC

=50 D CLa quantite de chaleur qui pourrait etre recuperee est done:

Q = 10000 kg/h x 4,18 kJ/kg.oC x 50 DC= 2090 000 kJ/h

Comme on peut Ie constater en comparant Jes deux equations qui precedent:hr =cp x DT

On peut aussi utiliser l'equation de l'enthalpie pour calculer la chaleur sensible disponible. Dans ce cas:Q = M x DhfM =10000 kgDhr = hfinal- hinitialhfinal = 292,97 kJ/kg (tire du tableau 1)hinital = 83,86 kJ/kg (tire du tableau 1)Q = 10000 kg/h x (292,97 - 83,86) kJ/kg

= 2091 100 kJ/hNota : L'ecart dans la chaleur necessaire, determinee it l'aide des deux methodes, decoule de l'arrondissementde la valeur du cp pour I'eau.

Calcul de la transmission de la chaleur latenteOn peut caJculer la quantite de transmission de chaleur necessaire pour evaporer un liquide (ou condenser ungaz) it l'aide de la formule :

Q =M X hfgo u Q = la chaleur transmise (kJ Ih)

M = la masse de la substance (kg/h)= chaleur latente due it l'evaporation (kJ/kg)

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Une liste de chaleur de vaporisation pour divers materiaux figure au tableau 3 de l' Annexe. Comme il en a dejaete question, on peut' utiliser les tables de vapeur (tableau 1) pour obtenir la chaleur latente de vaporisation de I 'eausous diverses conditions.

Par exemple, l'utilisation d'un precede amene le rejet d'un surplus de vapeur seche a 100C et a la pressionatrnospherique, La quantite de vapeur rejetee est de 1000 kg/h. La quantite de chaleur latente a l'heure qu'on pour-rait recuperer de cette source, si toute la vapeur etait condensee en eau, peut se calculer comme suit:

Q = M X hfgM = 1000 kg/h

= 2257 kJ/kg (tire du tableau 1)Q = 1 000 kg/h X 2257 kJ/kg

= 2257000 kJ/hII faut noter que le condensat qui est produit a 100C offre encore un potentiel de recuperation denergie,On peut calculer l'echange de chaleur latente pour l'air a I'aide d'une version modifiee de l'equation qui precede.

Cette equation tient compte de l'hyg ro rn etrie , L e lecteur trouvera, dans Ie Manuel 10, une description det a i l lee ducalcul de I' echange de la chaleur latente pour l' air.Mecanismes de Transmission Thermique

L e s s ys te rn e s de recuperation de la chaleur perdue com portent la transmission thermique. 1 1 est done essentielde bien comprendre les principes de base des mecanismes de transmission thermique pour pouvoir evaluer les avantagesde la recuperation de la chaleur perdue.

La transmission thermique peut s'effectuer par trois mecanismes differents : Ie r ayonnement, la conduction oula convection. Ces trois mecanisrnes sont decrits ci-dessous.Rayonnement

Taus les corps chauds ernettent un rayonnement sous forme de chaleur qui peut etre captee par un autre corpssolide se trouvant sur la trajectoire du rayonnement de la chaleur. L'exemple Ie plus courant de ce mode de transmis-sion de la chaleur par rayonnement est I'energie que la terre recoit du soleil,

Pour que la transmission thermique par rayonnement soit importante, la temperature doit etre elevee, Par exemple,la chaleur transmise par rayonnement ne devient importante que si la temperature des chaudieres de precede depasse600 DC. Dans Ia plupart des cas de recuperation de chaleur perdue, la quantite de chaleur transmise par rayonne-ment est generalement insignifiante,Conduction

La conduction est Ie processus par lequella chaleur passe d'une zone a temperature plus elevee a une zone atemperature plus basse a l'interieur d'un medium (solide, liquide ou gazeux), au entre differents media en contactphysique direct.

On peut faire une experience classique de conduction thermique en tenant I'extrernite d'une tige de metal dansla flamme. L'experience nous dernontre que la chaleur se propage dans la barre, de I'extrernite chaude vers l'extre-mite froide, rendant celle-ci trop chaude pour eire tenue a la main.

L'effet observable de la conduction thermique est une egalisation de la temperature entre les corps en contact.Cependant, si les differences de temperature sont maintenues par l'addition ou le retrait de chaleur a difterents points,un flux continu de chaleur s'etablira de la zone la plus chaude vers la zone la plus froide.

La conduction est la seule methode de circulation de la chaleur a utiliser pour les solides. La conduction est aussiune methode importante pour les fluides, mais dans les media non solides, elle est habituellement cornbinee a laconvection et, dans certains cas, au rayonnement.Convection

II se produit une transmission therrnique par convection lorsqu'un gaz ou un liquide en mouvernent entre encontact avec la surface d'un solide d'une temperature differente, La convection se produit en parallele avec la trans-mission therrnique par conduction et I'augmente it rnesure que Ie fluide rechauffe (au refroidi) est chasse de la surface

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chaude (ou froide) du solide et qu'un nouveau fluide Ie remplace. Plus Ie fluide circulc rapidement, plus Ie rythmcde transmission thermique est eleve, it une difference de temperature donnee, La convection naturclle implique lemouvement du fluide sur la surface chauffante uniquement par I'effet de la chaleur. Un exernple type est Ie chauffagede l'eau par un chauffe-eau dans lequel un serpentin chauffant est immerge. Dans Ie cas de la convection forcee, onfait appel it une force motrice, tellc qu'unc pompe ou un ventilateur, pour faire circuler Ie fluidc.Techniques de Recuperation de la Chaleur

II existe quatre techniques generalement utilisees pour recuperer la chaleur perdue. Ce sont : L'utilisation directe L'echange de chaleur La pompe a chaleur La surcompression de la vapeurLes deux premieres techniques utilisent la chaleur perdue "telle quelle". Dans de telles circonstances, la chaleur

perdue est de qualite suffisante pour etre utilisable ailleurs.La chaleur perdue est souvent disponible it une temperature plus basse que la charge potentielle requise.

"Rechauffer la chaleur perdue" signifie elever le niveau energetique d'un courant de chaleur perdue afin de s'enservir de facon plus utile qu'autrement. On fait alors appel it des pompes thermiques ou it la compression directede la vapeur lorsque la chaleur perdue est sous forme de vapeur.L' utilisation directe

L'usage direct de la chaleur, comme son nom l'indique, touche l'utilisation des rejets de chaleur perdue "tellequelle". Parmi des exemples types, on trouve :

l'utilisation des gaz produits par une chaudiere pour le sechage; l'utilisation comme eau chaude de l'eau de refroidissement "usagee' proven ant d 'un echangeur de chaleur; I'utilisation de l'air chaud provenant du local technique pour Ie chauffage d'espaces de rangement.Dans certains cas, de simples modifications minimes peuvent suffire pour pouvoir utiliser les rejets de chaleur

perdue. Cependant, il faut faire particulierernent attention it I'etat de ces rejets de chaleur perdue, tout specialementen ce qui a trait aux polluants eventuels, tels que les produits chimiques dangereux au une hurnidite indesirable,L'echangeur de chaleur

L'echangeur de chaleur constitue un moyen de transmettre la chaleur d'un courant it un autre sans qu'il y aitmelange reel des deux courants. II peut etre necessaire de separer les deux courants pour I'une au l'autre des raisonssuivantes :

pour ernpecher un des courants de contaminer l'autre (extrernement important dans la transformation desaliments, en particulier pour eviter la contamination de l'eau potable ou des denrees alimentaires);

pour maintenir I'ecart de pression qui peut exister entre les deux courants.II peut s'averer necessaire, dans certains cas, d'utiliser un troisierne fluide, Par exemple, on peut utiliser un courant

interrnediaire pour transporter la chaleur perdue sur de longues distances, lorsque la source est eloignee de la demande.Dans un echangeur de chaleur, les deux fluides peuvent circuler : dans des directions opposees ou "a contre-courant"; dans la m e me direction, ou "en courants paralleles"; l 'un perpendiculaire a l'autre, ou "en courants transversaux".La figure 2 represente les deux premieres de ces configurations et illustre les profils de temperature des fluides

chaud et froid au moment ou ils traversent I'echangeur de chaleur.L'equation pour la transmission thermique dans un echangeur de chaleur est:

Q U x A x (LMTO)o u Q

UALMTD

Ie taux de transmission de la chaleur (kJ/s)Ie coefficient global de transmission de la chaleur (k.I/rnt-s- D C )la surface de transmission de la chaleur (m-)= ecart logarithmique moyen de temperature ( DC)

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K ero se ne c ha u d Kerosene rctrordi

Les valeurs de "U" ant ete deterrninees pour une serie d'applications de l'echange thermique. Le tableau 4 del'Annexe represente une liste des valeurs pour de nombreuses applications ordinaires. Pour des applications autresque celles qui sont enumerees, des tableaux repertoriant Ies valeurs "U" ant ete publies,

Comme on peut Ie voir a la figure 2, les profils de temperature pour les fluides chaud et froid le long de I'echan-geur ne suivent pas des lignes droites. Ainsi, l'ecart de temperature entre les deux courants ne peut se calculer a partird'une moyenne arithmetique des ecarts de temperature entre l'entree et la sortie.

Dans ces conditions, on utilise "l'ecart logarithmique moyen de temperature" qui est une representation precisedes conditions reelles dans un echangeur, On Ie calcule comme suit:

Huilc C~-----------,1lourde ~_._----------__._Iruidc .. ( ~

Kerosc-m:refroidi

ct-----., I l uilc lourdercchauffce

Hullelourdetroide

Huile low-dercchau tfee - - - -....- t -.J

Kerosene chaud 2

450

2 U O

450

DT,

90

Longueur 2

Echangenr de cha leur itcou rants parallelcs

Echangcur de chaleur acontre-courant

Profils de temperature des echangeurs de chaleurFigure 2

LMTD

o u I'ecart de temperature entre les fluides chaud et froid a une extremite de l'echangeurde chaleur

DT2 l'ecart de temperature entre Ies fluides chaud et froid a l'autre extrerni te del'echangeur de chaleurIn

Nota,' Si DTJindique la base de logarithme naturel

DT2, alors LMTD = DT1 = DT29


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Pour l'exemple illustre a la figure 2b, Ie LMTD pour l'echangeur de chaleur a contre-courant serait :ou DT! = (450 - 200rC 250C

DT2 (110- 90)OC 20DCLMTD 250 - 20

In(2;~)= 91 DC

La figure 3 peut aussi etre utilisee pour determiner graphiquement la valeur LMTD.DT, 200

Pour ctendre les echelles, mu ltip lier rou tes les d o n n e e sdes eche l les par 10 . 50

) (, )(J - ;;00

ur, -,250 'Cm,~20(,Rcpcrcr les dOIlIlCC~sur l 'cchcl .c . commc l 'mdiquc lIl lusuatton,ct tracer UlK" l igne de raccor dcmcnt . On pcut l ir e lc LI \- lTDau po in t d 'i nt cr sc ct io n d e l 'cc hcl lc median cI.MTD = 91 'C

10090Be70 -

100 I( J( J -so "l0 -II(]- .J70 m-OIl (,050 " "'"30z,20

"

Theoriquement, on devrait pouvoir chauffer 10 Lis d'eau de 20 DCit 25 DCen utilisant 10Lis d'eau chaude a30 D C , si un echange parfait de chaleur etait possible. Cependant, en pratique, c'est impossible. Des facteurs tels quel'inefficacite dans la vitesse de transmission thermique due a l'encrassernent, les limites imposees par les dimensionsde l'equipernent et la perte de chaleur dans I'environnement necessitent une approche plus pratique.Dans la pratique courante, il faut selectionner une "temperature d'approche" raisonnable (l'ecart de tempera-ture entre I'eau de refroidissement et Ie fluide qui doit etre refroidi). Dans le cas d'applications de recuperation dela chaleur perdue, une temperature d'approche de 5 a 10 DCest normale. Pour certains precedes, il peut etre neces-saire d'obtenir des temperatures d'approche de 2 a 5 DC . Cependant, plus la temperature d'approche est basse, plusl'echangeur thermique doit etre grand et, par consequent, plus le coOt sera eleve,

La pompe it chaleurLa pompe a chaleur constitue un moyen d'elever la temperature de la chaleur perdue pour la rendre plus utili-sable. Par exemple, on peut se servir d'une pompe it chaleur pour recuperer la chaleur des gaz d'echappernent d'unbatiment, elever la temperature de cette chaleur et la recycler pour le chauffage de ce merne batiment.Le Module II, Refrigeration et pompes a chaleur, expose la theorie des pompes a chaleur et des definitions; le

lecteur trouvera plus de details en consultant ce module.

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La figure 4 illustre les elements d'un systerne de pompe a chaleur. La chaleur perdue a basse temperature estutilisee pour evaporer un refrigerant liquide a basse pression dans un evaporateur, Lerefrigerant, sous forme de vapeur,est ensuite comprime pour hausser sa temperature, grace a I'absorption de I'energie mecanique de la compression.La vapeur a haute temperature traverse alors le condensateur, O U sa chaleur se libere au moment ou elle se condenseen liquide. Le fluide condense est ensuite dilate, ce qui abaisse sa temperature et sa pression, avant de retourner al'evaporateur,

Travail de I' arbre W 3

sp

Evaporateur Condensatcurtree du flurde froid I Liqurdc Vapeur' refrigerantes I Sortie du flu ide rechaufferefrigerant a hautea basse pression J Compresseur I pressionr Vapeur I 'Iurce de chaleur rcfrigerarue Uti li sation de la ch:erdue T L Q, \ it basse pression ) Q1 r egeneree THI Dispositi f de dilatat ion J

Liquide refrigerantit haute pression

alcur

En

Sorlie du fluidc rcfroidi Entree du fluide cuaud

Cycle d'une pompe it chaleurFigure 4Pour exprimer Ie rendement d'une pompe a chaleur, on utilise Ie terme "coefficient de performance"(COP),qui se definit comme suit:

COP

a u la chaleur totale recuperee dans le condensateur (kJ ou W)Ie travail execute dans le compresseur (kJ ou W)La valeur du COP depend de l'ecart qui existe entre la temperature a laquelle la chaleur est degagee et celle a

laquelle la chaleur est extraite, c'est-a-dire le degre de regeneration necessaire, Plus l'ecart est grand, plus la quantitede travail a fournir est grande et plus le coefficient de performance est faible.En termes pratiques, un COP de 5, par exernple, signifie que pour chaque unite d'energie utilisee a faire fonc-tionner la pompe a chaleur, on retirera 5 unites.La surcompression de la vapeur

Dans les cas ou un courant de chaleur perdue se presente sous forme de vapeurs it basse temperature, Ie surcom-pression est souvent une option valable. La surcompression de la vapeur implique la compression de la chaleur perduesous forme de vapeur pour en elever la temperature et la pression ann qu'elle devienne une source d'energie utili-sable. La vapeur comprirnee retourne dans Iecircuit ou elle fournit la chaleur necessaire a I'evaporation. Le seul apportenergetique est done l'alimentation du compresseur. Les coefficients de performance des surcompresseurs de vapeurpeuvent etre tres eleves (6 - 10).La surcompression de la vapeur peut se faire mecaniquement ou thermiquement.e Surcompression mecanique :

La surcompression rnecanique de la vapeur sefait habituellement a l'aide de compresseurs centrifuges et volume-triques. Normalernent, les vapeurs comprirnees sont recycleespour etre utilisees de nouveau par Iedispositif qui produitles vapeurs a basse pression. L'evaporation est une application type de ce precede.Les coefficients de performance pour ces systernes sont tres eleves(6-10),etant donne qu'ils necessitent un niveaurelativement faible de regeneration denergie.Le principe de la surcompression mecanique de la vapeur est illustre a la figure 5. Le fluide prechauffe entredans le corps de I'evaporateur a une temperature voisine de son point d'ebullition et la vapeur est degagee a 100 DC .Apres avoir ete comprimee dans une soufflerie centrifuge, cette vapeur retoume it l'evaporateur a une pression absoluede 129kPa, correspondant a une temperature de saturation de 107C. La vapeur peut alors transrnettre sa chaleura la solution et augmenter la production de vapeur. S'il n'est pas deja rendu a son point debullition, comme dansl'exemple precedent, le fluide peut etre prechauffe a I'aide du condensat et du concentre.

II


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Concentre itro o "C4 ()()()kg/hCOP ~ 10

Principe d'evapuratlon par compression mecanique de la vapeurFigure 5

cnsat aCkg/h

(v (Vapeur aDis t i l la t it 1()()"C100"C 6000 kg/h10 000 kg/h

Vapeur a107 "C6000 kg/h -

Cond107"6000

Energievapeu r equivalant a600 kg/hi

Surcompression thermique :On obtient une surcompression thermique de la vapeur en combinant une vapeur a basse pression a une vapeur

it haute pression pour produire une vapeur a pression moyenne. Pour ce faire, on utilise des ejecteurs soufflants. Commele montre la figure 6, le volume total de la vapeur regeneree et de son enthalpie est egal a la somme des quantitesde vapeur a haute et a basse pression et de son enthalpie.Coupe transversa le d 'une ject eur sou fftant Ejecteur souf flant avecbees fixes m ult iples

.;~. - Tigc de reglage IVapeur mou ice

Entree de la t '~~vapeur I I , , ~ i i i

Vapeur motric~ \ I, }

~\

\',I"-iJ=>

Decharge

Vapeur morrice

Caisson deBee melange Diff useur Vapeur it pressionr + - - _ ~ ~ ~ - - 1 - - - - - - - - ~moyennett~,~----Entree de lavapeur

~:jecteurs classiques utilises pour la surcompression thermiqueFigure 6

Le coefficient de performance d'un thermocompresseur est egal a :COP

o u la chaleur degagee (kJ ou W)la quantite de chaleur produite par la vapeur motrice (kJ ou W)Le COP est eleve lorsque :

la pression de la vapeur motrice est elevee: le degre d'augmentation de temperature necessaire est faible.12


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Operations a etapes multiplesDans bien des cas, on peut diviser un processus de production comportant I'usage de chaleur (ou de rcfroidisse-

merit) en un certain nornbre d'etapes en vue d'obtenir une cascade denergie. On designe cette methode par le nomd'operations it etapes multiples. Parmi les exemples d'operations it etapes multiples classiques, on compte:o I'evaporation a effets multiplesG la vaporisation eclairo les autres operations it etapes multiples.Parmi ces exemples, Iedernier est probablement Ieplus facile a utiliser dans la plupart des situations. Fondamen-talement, ces operations a etapes multiples sont un prolongement ou une application pratique du vaste domaine des

techniques de recuperation de la chaleur dont il a ete question precedemment. Cette technique consiste it interrelierde I'equipement de traitement au moyen d'echangeurs thermiques, de pompes it chaleur, etc.L 'evaporation it effets multiples et la vaporisation eclair sont aussi des operations it etapes multiples, bien queleurs applications soient quelque peu limitees.Methodes de Verification Energetique

Les systemes utilises dans les installations industrielles, commerciales et gouvernementales offrent des possibi-lites de gestion de l'energie, La premiere mesure it prendre en vue de reduire la consommation de combustible et d'elec-tricite est de proceder it une verification energetique, Ce genre de verification sert it suivre Iecheminement de l'energietout au long de son utilisation, de l'entree it la sortie, et a pointer ultimement les endroits ou des economies d'energiepourraient etre realisees. Les mesures d'economie denergie peuvent aller des projets requerant une main-d'oeuvreconsiderable au simple entretien de routine et aux mesures it faibles couts. Bon nombre de ces possibilites peuventetre detectees durant une verification sommaire des installations. La verification donne de meilleurs resultats si elleest executee par "une paire d'yeux neufs", generalement familiers avec la gestion de I'energie, Les elements typespermettant d'econorniser I'energie, releves au ~ours d'une verification sommaire, sont les chauffe-eau dont latemperature a ete reglee a un degre inutilement eleve et I'isolation thermique endommagee, Une administration etun personnel d'exploitation vigilants, ainsi que de bonnes methodes d'entretien, peuvent contribuer a reduire la depenseenergetique et it econorniser de 1argent.

Mais les points a relever lors d 'une verification sommaire ne sont pas tous aussi faciles it analyser que ceux decritsci-dessus.Une verification de diagnostic permet d' etablir mathernatiquement Iepotentiel d' econornie d' energie obtenueit la suite de modifications et de calculer l'argent ainsi economise. II est possible de proceder it de simples calculs

des sommes recuperees pour etablir la viabilite financiere de cette solution, une fois que lecout estimatif des modifi-cations est connu.Pour plus amples renseignements sur la verification energetique, sereporter au manuel" Analyse financiere energe-tique", dans cette serie,Les mesures pour realiser ces possibilites de gestion de I'energie peuvent se diviser en trois categories.(') L'entretien de routine signifie une mesure de gestion de I'energie qui est repetee de facon reguliere, au moinsune fois par annee, Ce pourrait etre, par exemple, la calibration d'instruments importants.o Le coflt modique signifie une mesure de gestion de l'energie qui est prise une fois et dont le cout n'est pasconsidere comme eleve, Un exemple de mesure a cout modi que est l'utilisation directe d'une source de chaleurperdue.o La recuperation signifie une mesure de gestion de I'energie qui est prise une seule fois mais dont Ie cofit esteleve. Un exemple est l'installation d'un economiseur d'energie pour systeme de chauffage a eau chaude.II faut remarquer que la difference entre le cout modique et la recuperation est habituellement fonction del'importance et de la categorie de l'organisme, ainsi que de sa situation financiere,

13


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IntroductionVne verification energetique peut souvent mener it la decouverte de diverses sources d'energie perdue dans une

installation. La reduction ou l'elimination des pertes de chaleur devrait etre la preoccupation premiere. C'est seule-ment apres que des mesures en ce sens ont et e prises qu'on peut envisager serieusement une recuperation de la chaleurperdue.

La principale raison d'etre de tout projet de recuperation de chaleur perdue est l'existence d'une demande pourcette chaleur recuperee, Les utilisations possibles de la chaleur recuperee, qui constituent une partie integrante duprocessus de verification, devraient etre evidentes, On peut alors etablir une concordance entre la chaleur disponibleet la chaleur requise afin de definir un eventail d'options de recuperation. Ces options peuvent comporter Ie recoursit des echangeurs de chaleur, des pompes it chaleur, des operations it etapes multiples ou des vaporisateurs eclairs,dans Ie but d'optimiser I'usage de I'energie disponible.

La figure 7 montre des exemples de sources de chaleur perdue et des gammes de temperatures types, ainsi quedes suggestions pour les utilisations de la chaleur recuperee,Formulation de Projets de Recuperation de la Chaleur Perdue

Un certain nombre de facteurs peuvent avoir une incidence importante sur Ie succes des projets de recuperationde la chaleur perdue. L'examen de ces facteurs permet deliminer les options qui ne soot pas viables it une etapepreliminaire du processus et deconomiser ainsi temps et argent. Les facteurs it considerer sont :

(I La compatibtlite entre la source et la demande : une bonne concordance dans la quantite et la qualite de lachaleur est sou vent Ie facteur independant le plus important pour le succes des projets de recuperation de chaleurperdue. La compatibilite est aussi tres dependante des horaires de fonctionnement de l'equipement et du sys teme,Dans ce contexte, ilest primordial de tenir compte du besoin d'emmagasiner I'energie, Les facteurs d'utilisa-tion les plus eleves et, par consequent, la perspective de rentabilisation la plus acceptable sont generalementindispensables a l'integration des projets de recuperation de chaleur perdue dans un systerne,

En voici quelques exempies :(I le prechauffage de l'eau d'alimentation ou de Fair de combustion par les gaz d'echappement de la chaudiere,l'injection et le condensat;

o la vapeur it basse pression recuperee dans les turbines;(I le prechauffage de I'air d'appoint it partir de l'air d'echappernent.On peut avoir recours it l'accumulation thermique pour augmenter la cornpatibilite entre une source et la demande

lorsque leur horaire de fonctionnement ne coincide pas. Comme son nom I'indique, I'accumulation thermiquecornporte la collecte de I'energie thermique (calorifique ou refrigerante) en vue d'une utilisation ulterieure, Pour deplus amples renseignements sur Ie sujet, voir le Module 19, "Accumulation thermique".

e Accessibllite : La source de chaleur perdue devrait etre facilement accessible. Cela veut dire que Ie courantde chaleur perdue doit etre enferrne ou aussi concentre que possible. La chaleur perdue provenant des gazd'echappement, par exemple, est facilement accessible etant donne qu'elle est contenue a l'interieur du corpsdes cherninees ou des conduits. La chaleur perdue contenue dans l'air d'une piece est, par contre, moins faciled'acces etant donne qu'il faut plus d'efforts pour l'enfermer et l'extraire.

e La distance entre la source et la demande : Plus la distance est courte entre la source et la demande, plus unprojet a de chances d'etre viable. Le cout d'un systeme interrnediaire de transmission thermique et les pertesthermiques des tuyaux et des conduits sont des enjeux des qui peuvent avoir un effet negatif sur la viabilited'un projet de recuperation de chaleur perdue.

1 4


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Typesd'installation Source de chaleur perdue

Industrielle Echappemcnt d'unc fournaise elcctriquerefractaireEchappemcnt d'un four d'affinage du nickelEchappement d'un incinerateur pour les gaz defumeeEchappement de l'incinerareur de dechets solidesEchappernent d'un four de rechauffernent

Industrielle Echappement d'une turbine a gazEchappemcnt d'une generatrice dieselEchappernent d'une chaudiere a vapeurCommerciale Echappement d'un four de sechage et de cuissonEchappernent d'un sechoirGaz dechappement d'un appareil de chauffage

Industrielle Echapperuent d'une chaudiere a vapeurEchappement d'un sechoirCondensats de vapeur de precedeVapeur eclair de reservoir de condensatCondensats uses de precedeEcoulernents chauds de precedeInjections de combustible dans la chaudiereEau de refroidissement de generatrice dieselCommerciale Echappernent d'une chaudiere it vapeurEchappement d'un sechoirGaz d' 'echappement d'un appareil de chauffage

Gouvernernentale Echappernent d'une chaudiere it vapeurGaz d'echappement d'un appareil de chauffage

Industrielle Eau de refroidissement venant de compresseursd'airEau de refroidissement venant de centralesthermiquesAir chaud au niveau du pia fondEcoulernents d'eaux usees de precedeProduits chaudsCommerciale Conditionnement de I'air et refrigeration

Echappernent du condensateurEaux usees de precede (blanchisserie, etc.)Gouvernementale Conditionnement de I'air et refrigerationEchappement du condensateurEchappement de la cuisineEchappement du ventilateurEchappement dejcctcurs it videEchappernent d'une friteuse

Temperature eCl Applications de la chaleur recupereeElevee

1600 - 2 7001 375 - 1 550650 - 1 550650 - 1 000

Moyenne375 - 55037 5 - 500230 - 250230 - 600150 - 230175 - 230Basse

150- 23080 - 15055 - 95

85 - 1 500150 - 230

150 - 2301 7 5 - 230

Tres basse25 - 501 5 - 5025 - 50

30 - 4530 - 4530 - 45

Vapeur de precede, air de combustion deprechauffage, chauffage de locaux,

Air de combustion de prechauffage, sechagedirect, chauffage de locaux, chauffage d'eaude precede, prechauffage d'eau de chaudiere,Air de combustion de prechauffage,chauffage d'eau de precede, prechauffaged'eau de chaudiere,

Chauffage de locaux, air de combustion deprechauffage, chauffage de precede.

Chauffage de locaux, air de combustion deprechauffage, chauffage de precede,moderation de 1atemperature d'aird'aeration,Chauffage de locaux, air de combustion deprechauffage, moderation de la temperatured'air d'aeration, chauffage d'eaudomestique.

Chauffage de locaux, utilisation directe del'eau (chaude), air de combustion.

Chauffage de locaux, chauffage d'eaudomestique, moderation de la temperatured'air d'aeration,Chauffage de locaux, chauffage d'eaudornestique, moderation de la temperatured'air d'aeration.

Sources et utillsations p ossib le s d e la c ha le ur p erd ueFigure 7

1 5


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e La forme et I'etat de la source de chaleur perdue: Ce point revet une importance particuliere dans les cas O Ul'on songe a installer des echangeurs de chaleur. Par exemple, la recuperation de la chaleur provenant de gazcofite plus cher que celIe de la chaleur provenant de vapeurs ou de liquides, en raison des coefficients de trans-mission thermique peu eleves , L'encrassement et la corrosion compliquent davantage cette recuperationpuisqu'il faut tenir compte de l'usure et de la corrosion des echangeurs de chaleur.o Qualite du produit : Si l'on doit recuperer la chaleur d'un produit, il faut tenir compte du risque possible decontamination de ce produit par le fluide de transmission thermique. Ce point est particulierernent impor-tant dans les industries alimentaires.o Niveau de rechauffement necessaire : Lorsqu'on envisage de recuperer la chaleur provenant d'une source dontla temperature est inferieure a celle qui est necessaire, le niveau de hausse de temperature de la chaleur est unfacteur extrernement important a considerer, II faut aussi tenir compte des capacites de l'equipement derechauffernent disponible dans lecommerce lorsqu' on determine la faisabilite de projets d' augmentation detemperature de la chaleur.

o us aspects reglementaires : Dans certains cas, les exigences de reglernents speciaux, telles que celles qu'onrencontre dans les industries pharmaceutiques et alimentaires, peuvent influer sur la nature et le genre desprojets de recuperation. Par exemple, l'air chaud provenant d'endroits potentiellement contamines n'est peut-etre pas acceptable pour le chauffage direct d'un lieu a u l'on transforme les aliments.

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IntroductionCette section du manuel met l'accent sur l'equipernent disponible pour les techniques suivantes de recupera-

tion et d'utilisation de chaleur perdue:III I'utilisation directeIII l'echange de chaleurIII la pompe a chaleurIII la surcompression de la vapeur.L'utilisation directe de la chaleur perdue ne necessite en soi aucune piece d'equipement specialisee, Un reachernine-

ment de la tuyauterie, I'addition de conduits et eventuellernent l'installation d'un certain type de systeme d'accumu-lation thermique, voila souvent tout ce qu'il faut. Avec une imagination creatrice et un peu d'ingeniosite, il est possiblede tirer parti d'une source de chaleur perdue et de s'en servir d'une facon simple et rentable.

Ce son! les echangeurs de chaleur et les pompes a chaleur qui ant le plus vaste eventail d ' applications, quel quesoit le genre d'industrie. La surcompression de la vapeur peut etre utilisee dans certaines circonstances. Cependant,elle est generalement limitee aux plus grandes usines et aux precedes complexes.

Cette section du manuel se termine par un commentaire sur I'equipement utilise dans les operations a etapesmultiples.Materiel d'Echange de Chaleur

Les echangeurs de chaleur sont utilises pour la transmission de l'energie d'un courant a un autre, a moins quele courant caloporteur puisse etre utilise directement. Leur utilisation par I'industrie est largement repandue et latechnologie est bien etablie,

Les echangeurs de chaleur sont offerts dans de nombreux rnodeles et configurations, afin de convenir a une diversitede besoins, de materiaux, de temperatures et de conditions de fonctionnement et comprennent les elements suivants :

III calandre multitubulairee chaudieres de recuperation de chaleur perdueIII tube a ailettesIII serpentinIII tubes concentriquesIII plaquesIII systeme a fonctionnement circulaire" roues a chaleur" thermosiphons.La figure 8 peut servir de guide general dans la selection des echangeurs de chaleur pour des applications de

recuperation de chaleur perdue. Cependant, il faut analyser en details chaque situation pour s'assurer de faire le choixle plus judicieux. Les conseils d'un expert dans le choix de l'equipement et les contacts avec les fournisseurs en cequi concerne la disponibilite de I'equipement peuvent se traduire par des economies de temps et d'argent et par unfonctionnement sans probleme.

Les caracteristiques de conception, les applications types de Ia recuperation de chaleur perdue et les rendementsdes recuperateurs de chaleur qui y sont decrits se rapportent aux dispositifs d'echange de chaleur les plus courants.II existe neanrnoins d'autres configurations et d'autres applications.

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Caracteristiquesdes unitesderecuperation

Ma1e.ielcommerelald'.dlange de chaleur

Echangeur de cha leura calandre multitubulaire

3

5

2

Echangeur de cha leura tubes a ailettes

Chaudiere de recuperat ionde la chaleur perdue

Echangeur de cha leura scrpcntins

1

Echangcu r de cha leura rubes conccntriques

e cu p era te u r de chaleurpour l'echangeura tubes concentriques Echangeu r de chaleura plaques

Systerne it toner ionncmentcirculaire

Roue it chaleurrnetallique

Roue ilchaleurhydroscopiq ue

4

4

Roue a chaleuren ceramique Therrnosiphon

I. Peu t etre fab rique de materiaux inoxydables, mais il fau t cnv isager la possib ilitcde dornmages importants a l'equiperneru en cas de fuites au de ruptures de la tubulure.

2. us articles offerts sur stock son t de faible capacire seu lemen t.3 . Sujet controverse . Cer ta ines marques pre tendent recuperer

l'humidite, mais la prudence est de mise,4. En ajoutant une section pour la purge, la contamination mutuelle peut

eue limitee a moins de I "1 0 de la masse .5. us temperatures permissible, et les ecarts de temperatu res son t [imites

par I. , proprietes d'equilib rage des phases du flu id . in terne,Caracteristlques de fonctionnement et d'utilisation des echangeurs de chaleur

Figure 8

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US rendements des recuperateurs de chaleur sont presentes it titre d'information seulement. Ici encore, les conseilsd'un expert sont necessaires pour etablir avec precision la vitesse decoulement. les dimensions d'un echangeur dechaleur, etc.

A noter que les echangeurs de chaleur it rendement eleve ne sont pas toujours souhaitables ni necessaires dansles applications de recuperation de chaleur perdue. A moins de pouvoir utiliser toute la chaleur d'un courant de chaleurperdue, un equipernent de recuperation de chaleur ayant un rendement moindre peut suffire pour repondre it lademande. Un dispositif moins performant peut aussi avoir d'autres avantages tels que des passages plus grands (moinsde chutes de pression), un entretien plus facile, etc.Echangeur de chaleur a calandre muItitubulaire

De tous les echangeurs de chaleur utilises, l'echangeur a calandre multitubulaire est Ie plus repandu, Son cofrtest relativement modi que comparativernent aux autres genres et on en trouve dans une infinie variete de dimensions,de capacites, de materiaux, etc. C'est pourquoi I'echangeur de chaleur a calandre multitubulaire devrait etre l'unedes premieres configurations a evaluer dans tout projet eventuel de recuperation de chaleur perdue.

La figure 9 illustre un modele c1assique dechangeur de chaleur a calandre multitubulaire. Cet echangeur gaz-liquide ou liquide-liquide consiste en un faisceau de petits tubes paralleles contenus a l'interieur d'une calandrecylindrique. Un des fluides circule a l'interieur des tubes pendant que l'autre circule sur le faisceau de tubes, a l'interieurde Ia calandre. Des chicanes sont placees a I'interieur de la calandre, comme Ie montre la figure 10, afin que danschaque section, Ie fluide circule a travers le faisceau de tubes en un courant descendant dans la premiere section,ascendant dans la deuxieme, et ainsi de suite. Selon la disposition des distributeurs aux deux extremites de l'echan-geur de chaleur, on peut arnenager un ou plusieurs parcours a l'interieur du tube. Dans le cas d'une disposition itdeux parcours, I'entree du distributeur est divisee de facon que Ie fluide circulant dans les tubes parcourt la moitiedes tubes en un sens, fasse demi-tour et revienne a son point de depart par l'autre moitie des tubes, comme l'illustrela figure 9. On peut obtenir deux, quatre ou six parcours en reamenageant la disposition d'un distributeur,

Courant de chaleurperdueFluidc arechauffer

Echangeur de chaleur a calandre multitubulaireFigure 9

Echangeur de chaleur a calandre multitubulaire avec chicanes:Tube a deux parcours, calandre a un parcours.Figure to

II est plus onereux de concevoir la calandre pour qu'elle resiste a de fortes pressions afin que Ie fluide a hautepression circule dans les tubes alors que Ie fluide a basse pression circule dans la calandre. Lorsque la chaleur perdueest sous forme de vapeur, celle-ci se condense habituellement pour ceder sa chaleur latente au liquide it rechauffer.Dans cette application, la vapeur est presque toujours contenue a l'jnterieur de la calandre. Si on tentait I'inverse,la condensation des vapeurs a I'interieur des tubes paralleles de faible diarnetre entra-ee-nerait un ecoulement instable.us echangeurs de chaleur a calandre multitubulaire sont offerts dans une grande variete de dimensions nor-mali sees et dans de nombreuses combinaisons de materiaux pour les tubes et la calandre. La figure 11p resente unapercu sommaire des caracteristiques de deux extremes dans les echangeurs it calandre multitubulaire qu'on trouvesur le marche afin d'illustrer Ie large eventail des volumes que ces appareils peuvent traiter.

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SOMMA IRE DE L'EVENTAIL DES DIMENSIONS ET DES DEBITS DES CALANDRESET DES TUBES

CirculationDiarnetre de Longueur Nombre de Debit dans Debit dansla calandre hors tout parcours offerts les tubes la calandre100mm 750mm 2;4;6 7.5 a 115 Lis 55 a 250 Lis760mm 400mm 2;4;6 950 a 12000 Lis 750 a 7 300 Lis

Figure II

Les pressions prevues en fonction de la dimension des tubes pour les echangeurs de chaleur a calandre multi-tubulaire vont de 860 a 1 050 kPa. Les temperatures maximales de fonctionnement sont habituellement de 200C.La chute de pression dans la calandre est normalement de l'ordre de 3 a 30 kPa. En choisissant les elements, if estsouhaitable de maintenir les vitesses d'ecoulement a l'interieur des tubes a moins de 2,3 m/s. Les raisons sont :

La circulation de l'eau a une vitesse de 2,3 mls ou plus peut avoir un effet d'erosion et entrainer une usurerapide de la tubulure. Le moindre petit depot dans un element qui a ete regie a une vitesse elevee peut causer une chute tres abruptede la capacite calorifique.

La chute brutale de pression resultant de vitesses tres elevees peut rendre la selection d'une pompe difficileet cofiteuse,

Les vitesses d'ecoulement a l'interieur de la calandre sont normalement inferieures a 1,2 m/s.Le rendement habituel de la recuperation de la chaleur pour ces appareils est de I'ordre de 60 a 80 pour cent.Les echangeurs a calandre multitubulaire sont generalement difficiles a nettoyer et ne sont pas tres indiques pour

les applications en milieu souille, Les plaques d'extremites et les teres peuvent habituellement s'enlever pour permettreIe nettoyage des tubes. Un faisceau de tubes amovible facilite le nettoyage de l'interieur de la calandre, mais ilaug-mente le cofit de l'appareil et diminue sa duree de vie utile.

Les applications habituelles comprennent Ie chauffage des liquides ou des gaz par la recuperation de la chaleurdes condensats provenant de :

systernes de refrigeration et de climatisation; vapeur de traitement; portes de chaudiere, grilles et supports de tube; moteurs, compresseurs d'air, paliers, lubrifiants; precedes de distillation; purge de la chaudiere.

Chaudieres de recuperation de chaleur perdueConcues d'apres l'echangeur a calandre multitubulaire, les chaudieres de recuperation sont utili sees pour recuperer

la chaleur perdue provenant des gaz a haute temperature qui s'echappent des cherninees d'usine. Les chaudieres derecuperation sont generalement des chaudieres munies de tubes d'eau qui utilisent de grands volumes de vapeur ahaute temperature comme source de chaleur a la place du combustible classique. Les sources de chaleur habituellessont les gaz d'echappement chauds provenant d'installations telles que les turbines a gaz, les incinerateurs, les fourset Ies moteurs alternatifs. Lorsque la chaleur perdue provenant des gaz d'echappernent devient insuffisante pourproduire la quantite de vapeur necessaire aux applications prevues, it est parfois possible d'ajouter des bruleursauxi l i a i res , Ces systemes brfilent du combustible dans la chaudiere de recuperation, au une chambre de post-combustionpeut etre ajoutee au conduit de gaz d''echappement, juste devant la chaudiere,

La figure 12 illustre un des dispositifs utilises, par lequelles gaz d'echappement pas sent deux fois sur les tubesd'eau avant d'etre rejetes dans l'air. Pour gagner de l'espace, on peut utiliser une chaudiere d'un format plus com-pact si les tubes d'eau sont munis d'ailettes pour augmenter Ie rendement de la surface de transmission thermiquedu cote des gaz. Le diagramme illustre un tambour d'eau d'alimentation, la tubulure par-dessus laquelle les gaz chaudspassent deux fois, et un ballon de vapeur qui emmagasine la vapeur produite au-dessus de la surface de l'eau.

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Les chaudieres de recuperation sont fabriquees dans divers formats dont la capacite peut aller de mains de500Lis de gaz d'echappement jusqu'a 500 000 Lis. Les rendements des recuperateurs de chaleur sont habituelle-ment de 40 it 50 pour cent.

Sort ic de la vapeu r "" Sortie des gav.pcrdus ffrOiUi'Bailon de vapeur _

Bailon d'eau d'ahmeruation _

Tube' d'eau

Entree de l 'eau d'alimentation

Entree de' gaz chaudsChaudiere de recuperation qui reutilise la chaleur perdue

provenant d'une turbine a gaz ou d'IncinerateursFigure 12Echangeur de chaleur a tube a ailettes

Cet echangeur de chaleur gaz-liquide (figure 13)est constitue d'un long tube en serpentin preforme. Leliquideit rechauffer circule a l'interieur du tube alors que les gaz dechappement contenant la chaleur perdue circulent itI'exterieur du tube. Les ailettes fixees sur la paroi exterieure du tube augmentent la surface servant a la transmissionde la chaleur, ce qui compense pour les plus faibles coefficients de transmission thermique des gaz.Ce genre d'echangeur de chaleur est couramment utilise pour le chauffage de l'eau. Les economiseurs de gazd'echappement de la chaudiere constituent l'application la plus frequente, et servent normalement a rechauffer l'eaud'alimentation de la chaudiere, L'efficacite est habituellement de 40 it 60 pour cent.

Gaz dechappemcntEau d'alirnentauon(i:! rechauffer )

Gaz dechappementde la chaudiere(courant de chaleurperdue)

Eau d'ahmentationvers la chaudiere

Tube a ailettes

Echangeur de chaleur a tube a allettesFigure 13Echangeur de chaleur a serpentin

Cet echangeur de chaleur consiste en deux bandes metalliques relativement longues qui s'enroulent concentri-quement de facon it former une paire de canaux distincts, etanches et disposes en spirale (voir la figure 14). IIest pluscompact et est moins sujet a I'encrassement comparativement aux echangeurs it calandre multitubulaire.Les echangeurs de chaleur a serpentin sont frequemment utilises pour les eaux usees de refroidissement et recu-perent efficacement la chaleur degagee par la vapeur a pression atmospherique, Par exemple, on pourrait utiliser21


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un echangeur de chaleur a serpentin pour condenser la vapeur a pression atmospherique emanant des evaporateurset s'en servir pour rechauffer I'eau servant au neUoyage. L'efficacite de ce recuperateur de chaleur se situe habituelle-ment entre 60 et 65 pour cent.l luidc " rcchauftcr

Couranl de ......_III"'!chaleurperdue

Echangeur de chaleur it serpentinFigure 14

Echangeur de chaleur a tubes concentriquesCe genre d'echangeur de chaleur consiste en deux au trois tubes concentriques. Le fluide de chauffage au derefroidissement circule dans Ietube interieur et Ieproduit qui doit eire rechauffe ou refroidi passe dans Iedeuxierne

tube. Sion utilise un systeme a trois tubes, Iefluide de chauffage au de refroidissement circule aussi dans letube exterieur,La figure 15illustre un echangeur de chaleur comportant trois tubes concentriques.Les echangeurs de cegenre doivent etre entierernent demontes lorsqu'il faut proceder a une inspection pour desfuites ou de I'encrassement. Bien qu'ils puissent etre difficiles d'entretien, ils sont faciles a nettoyer sur place. Cerecuperateur de chaleur convient aux utilisations qui impliquent un liquide visqueux ou un liquide contenant desparticules en suspension. Lorsqu'il s'agit de liquides, la teneur en particules permise peut atteindre 40 pour cent.Les applications gaz-gaz comportent des recuperateurs a echange par rayonnement, par exemple, Ieprechauffagede l'air a I'aide des gaz de combustion chauds (figure 16).Etant donne que les fluides dans ces appareils circulent en sens oppose, l'efficacite de la transmission thermiqueest elevee, habituellement de I'ordre de 60 a 70 pour cent.

Chaleur perdue sous forme de gaz

Ent ree d'ai r f ro id

Air chaud pourle precedeIsolant et revetementmetallique

Echangeur de chaleur a tubes concentriquesFigure [5 Gaz d 'echappementRecuperateur metallique par rayonnement

Figure 16

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EChangeurs de chaleur i't plaquesCes systernes passifs sont constitues de canaux a l'Interieur desquels des courants chauds et froids circulent en

alternance, separes par une mince cJoison de metal ou d'autres materiaux, Selon la configuration, les deux courantspeuvent circuler en flux paralleles, opposes ou perpendiculaires, sans se melanger,

L'echangeur de chaleur a plaques et a chassis est generalernent utilise dans les cas ou l'on a besoin d'un echan-geur liquide-liquide ou gaz-liquide, Ces appareils sont constitues d'un chassis metallique dans lequel un nombre variablede toles ondulees sont assernblees par un dispositif de fixation (voir la figure 17). Les deux f1uides coulent dans descanaux en alternance entre les plaques, habituellement en sens contraire. L'ondulation des plaques produit uneturbulence tout en augmentant la surface de contact, ce qui rend la transmission thermique plus efficace. Les plaquessont generalement fabriquees en titane, en acier inoxydable, en Hastelloy ou en Incoloy. Les plaques voisines sontmaintenues espacees et garnies de joints d'etancheite afin d'empecher les fuites et le melange des fluides. Les materiauxconstituant les joints detancheite sont le viton, le Buna N, l'EPT au l'amiante. La surface totale servant a I'echangede chaleur peut facilement etre modifiee par I'addition au la suppression de plaques.

Sortie du courantde cha leur perdue

Ent ree du liquidea rcchauftcr

Echangeur de chaleur it plaquesfigure [7

Sortie du liquideit rechau ffcr

Les echangeurs de chaleur a plaques et it chassis sont simples et faciles a nettoyer, a inspecter et it entretenir etantdonne que les surfaces de transmission thermique sont faciles d'acces, On peut les nettoyer facilement sur place enles lavant avec des solutions chimiques. C'est pourquoi ce genre d'echangeur est un choix judicieux pour des appli-cations ou l'on traite directement I'eau potable au des denrees alimentaires. Cependant l'entretien des joints d'etan-cheite pose un problerne grave. Son utilisation se limite generalernent aux Iiquides contenant mains de 5 pour centde particules solides au dont les particules ant mains de 1 mm de diarnetre afin de reduire les risques de bouchon.

L'efficacite des echangeurs it plaques pour la recuperation de la chaleur est habituellement de l'ordre de 75 it 80pour cent.

SeIon la dimension et le nombre de plaques utilisees, ces echangeurs peuvent avoir un debit allant de 1,0 Lisa plus de 170 Lis. Les chutes maximales de pression dans I'appareil vont habitueHement de 1 800 it 3 200 kPa. Lalimite maximale de temperature est generalernent de 240 "C.

Les echangeurs de chaleur a plaques utilises dans la plupart des applications gaz-gaz sont designes commeechangeurs de chaleur du type a ailettes. Le modele de base d'echangeur de chaleur a ailettes est une configurationa courant transversal (figure 18); l'appareil a contre-courant connu sous le nom de Z-box (figure 19) en est une deux-ierne, Les flux d'air a contre-courant assurent Ie plus grand ecart de temperature possible pour une transmission ther-mique maximale, mais une configuration it courant transversal peut parfois permettre des raccords de conduits d'airplus pratiqucs. Les echangeurs de chaleur a plaques it ailettes sont habituellement utilises dans les cas au la tempera-ture de l'air est inferieure it 500C. Lusage de bons produits et de joints d'etancheite empeche le melange des f1uideset facilite le ncttoyage, l'entrctien et l'inspection de l'appareil, Les principaux usages sont la recuperation de la chaleurprovenant des fours it cuisson, it etuve et it fumage des aliments et des systernes de chauffage et de ventilation.

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Ga7 d'cchappement retroidi

~entree de I 'air froid(a rechau [fer]

~Air chaud pour Ie procede

Om d'cchappemcru chaud(courant de chaleur perdue)

Eehangeur de chaleur it plaques air-airFigure 18

Panncau amoviblcpour le neuoyagc

Air vicie

Air pur(rechauffe)

(chaud)

Echangeur de chaleur du genre Z-BoxFigure 1 9

Lesrecuperateurs de chaleur it courant transversal ou it contre-courant ont respectivement une efficacite de recuper-ation de 40 it 60 pour cent et 65 it 75 pour cent.[J est difficile d'etablir l'eventail general des vitesses du flux d'air ou des chutes de pression pour tous lesgenresd'echangeurs de chaleur it plaques fixes de type a ailettes en raison de la grande variete des applications et des methodesde construction. Cepcndant, les capacites normales des appareils modulaires du type it ailettes sont de l'ordre de 470

it 4700 Lis. [J est possible de fabriquer, a l'aide de modules, des modeles a plus grande capacite pouvant aller jusqu'a47000 Lis,Systeme it fonctionnement circulaire

Le systerne a fonctionnement circulaire peut etre efficace pour recuperer la chaleur perdue des flux d'air, enparticulier lorsqu'on desire installer un systerne de recuperation de chaleur sans devoir reacheminer les conduits. Cesysterneconvient egalement dans les cas ou la source de chaleur est tres eloignee de lademande. Une separation completedes flux d'air elimine le risque de melange entre l'air exterieur et l'air d'echappement.Sous sa forme la plus simple, ce systerne de recuperation de chaleur utilise pour Ietraitement it basse tempera-ture est constitue de serpentins d'eau it tubes it ailettes, d'une pompe de circulation et de la tuyauterie de raccorde-ment. Comme l'illustre la figure 20, un des serpentins est situe dans le courant des gaz d'echappement et l'autre, dansle conduit par lequel l'air it rechauffer circule. On peut raccorder plusieurs serpentins en serie ou en parallele pourutiliser plusieurs sources de chaleur et desservir plusieurs endroits. La pompe assure la circulation d'un fluidecaloporteur comme l'eau ou une solution de glycol (antigel), ou d'un fluide de transmission thermique it plus hautetemperature dans les deux serpentins.

Air refroidi

Air chaud(flux de chaleur perdue)

A ir it rechauffer

Systerne de tubulureSysteme it fonctionnement circulaireFigure 20

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Le registre des temperatures des systemes it fonctionnement circulaire est limite par le fluide de transmissionthermique. A des temperatures plus elevees (it plus de 200 0q, des serpentins de construction speciale et des systernesde controle peuvent etre necessaires pour assurer une liaison permanente des ailettes au tube et pour empecher lefluide d'atteindre des temperatures excessives.

Dans bien des cas, l'eau dernineralisee peut servir de medium de transmission thermique. Cette solution estpreferable etant donne que l'eau pure permet une transmission thermique plus efficace, L'eau est limitee dans ses ap-plications en raison de son point de congelation eleve, En plus des problemes dus a la corrosion, il a ete necessairede faire appel it d'autres fluides de transmission thermique, tels que la solution de glycol contre la corrosion.Il faut chercher a obtenir aupres du Fabricant de fluides approprie les recommandations specifiques concernantune application donnee, Lorsqu'on utilise des serpentins a tube a ailettes, il faut tenir compte des donnees techniquesdu serpentin pour determiner les chutes de pression d'un modele particulier, Les vitesses du cote du serpentin se situententre 1,5 et 3,0 m/s. Des vitesses de surface plus basses peuvent entrainer des frais d'achat plus cleves, alors que desvitesses de surface plus elevees peuvent augmenter les frais d'exploitation en raison de plus fortes chutes de pressiondu flux d'air.

Les chutes de pression dans les serpentins a tube muni d'ailettes en spirale a haute temperature sont de l'ordrede 0,005 a 1,0 kPa, et dependent de I'espacement des ailettes et du nombre de passages.

Les applications utilisant des gaz d'echappement it des temperatures allant jusqu'a 200 "C peuvent normale-ment donner un rendement thermique de l'ordre de 60 it 65 pour cent pour la recuperation de la chaleur sensible.Les applications it des temperatures superieures it 200 "C donnent habituellement des rendements legerernent inferieurs,allant jusqu'a 50 pour cent, en raison des proprietes de transmission thermique limitees des flu ides caloporteurs etdes materiaux de construction.Roue a chaleur

La roue it chaleur (aussi appelee recuperateur rotatif) devient de plus en plus populaire pour les applicationsnecessitant un recuperateur de chaleur perdue air-air it basse ou it moyenne temperature. Comme l'illustre la figure21, it contient un disque poreux de bonne dimension, fabrique dans un materiau ayant une capacite calorifique ele-vee, et tournant entre deux conduites d'air contigues, l'une pour l'air froid, I'autre pour l'air chaud, L'axe de la roueest situe sur un plan parallele it la cloison separant les deux gaines. Pendant que la roue tourne lentement, la chaleursensible (et dans certains cas l'humidite contenant de la chaleur latente) est transmise au materiau par le courant d'airchaud et retiree du materiau par le courant d'air froid.

Les gaines d'air raccordees a la roue (figure 21) sont disposees de telle sorte que chacun des courants d'air circuledans Ie sens de l'axe, et passe approximativement it travers la moitie de la roue, l'un dans Ie sens contraire de l'autre,En tournant, le materiau poreux est chauffe par Ie courant d'air chaud, et penetre dans la gaine d'air froid a u il liberel'energie nouvellement acquise.

Gaz dcchappcrncru chaud(flux de chaleur perdue)

Roue a chaleur

Gaz d'cchappcment tiede

Air rechautte

Air venant de l'extcricur(II rcchaufferj

Roue a chaleur ou recuperateur rotatifFigure 21

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Les roues it chaleur sont habituellement fabriquees avec un diarnetre de 3,5 metres et un debit d'air de 30000Lis. Cependant, on a fabrique des roues avec un diametre allant jusqu'a 15metres. Cependant, des elements multi-ples peuvent etre utilises en parallele,

Les roues it chaleur sont concues pour des temperatures allant de -50 DCit 870C. D'apres leur usage et leurconception, on peut les diviser en deux categories -Ies usages pour le "con fort " et les usages pour le "precede". Con fort - Les roues servant pour Ieconfort sont concues pour la transmission de la chaleur sensible ou dela chaleur totale it des temperatures allant de -50 "C it environ 90 DCau maximum. Le tambour est fabriquede materiaux metalliques, mineraux ou artificiels. Precede - Les applications pour des precedes it basse temperature concernent la transmission de la chaleursensible it des temperatures allant jusqu' it 200 a C environ. Lemateriau de la roue est habituellement de l'alu-minium; cependant, l'acier inoxydable, le monel et d'autres rnateriaux it I'epreuve de la corrosion peuventetre utilises dans les milieux corrosifs. Les applications pour des precedes it temperature moyenne sontgeneralement utili sees pour des temperatures allant jusqu'a 425C.

Le roue est fabriquee en acier inoxydable, en monel ou aut res rnateriaux semblables, et en cerarnique, Lesapplications pour les precedes it temperature elevee peuvent aller jusqu'a 870 "C. La roue est en cerami que ou enacier resistant a des temperatures tres elevees.Les roues a chaleur sont offertes en quatre configurations. La premiere consiste en un chassis rnetallique enfer-mant un noyau de toile tricotee en acier inoxydable ou en fils d'aluminium qui ressemble aux tampons metalliquesdont on se sert pour recurer les ustensiles de cuisine.Appele roue laminaire, le deuxieme genre est fabrique en tole ondulee et com porte plusieurs passages parallelespour la circulation du fluide.Letroisieme genre est aussi une roue laminaire, mais fabriquee en ceramique, avec une configuration alveolaire,Ce type est utilise dans les applications it temperature elevee dont la limite de fonctionnement se situe it environ870 0C.La quatrierne variete est de construction laminaire, mais les voies de circulation sont recouvertes d'un materiauabsorbant l'eau de facon que la chaleur latente et la chaleur sensible puissent toutes deux etre recuperees, La garni-ture de la roue peut etre constituee de n'importe quel materiau, par exemple le chlorure de lithium.L'efficacite totale de la transmission de la chaleur sensible peut aller de 70 it . 80pour cent. Avec ce genre de roue,la quantite totale de chaleur recuperee (it la fois sensible et latente) est de l'ordre de 65 it . 80 pour cent.Le rendement d'un echangeur de chaleur rotatif air-air peut etre caracterise par les chutes de pression qui seproduisent dans les flux d'air et par I'efficacite de I'appareil. Ces deux facteurs dependent de la vitesse de surface

qui est basee sur la surface exposee au flux d'air. La surface totale de la roue est divisee en deux et chacune des moitiesest utilisee par l'un des deux flux d'air.Les vitesses de surface pratiques pour les applications visant Ieconfort se situent entre 2,0 et 4,6ml s. Les vitessesles plus basses se traduisent par de plus faibles chutes de pression, une plus grande efficacite et des couts d'exploita-tion plus faibles, mais necessitent des appareils plus volumineux et un plus grand espace pour I'installation.

Cote batirnent (face interne)Echappemenr en amant(Alimentation en aval)

Air d'cchappemctuSoufflcric d'echappcment

,- Roue d'ecbange JointsCoupe verticale (A.A)Coupe de la roue,des joints et de purge

CoM expose aux in tcrnpcrics (face externe)Echappcment en aval(Alimentation en amant)

Roue it chaleur avec section de purgeFigure 22

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Des vitesses de circulation d'air plus elevees permettent des couts d'achat plus bas et un espace moins grand,mais les frais d'exploitation sont generalernent plus cleves en raison de l'augmentation des chutes de pression.Pour assurer un rendement optimal, les roues destinees au eonfort ant generalernent une epaisseur de 15 a30 em d'epaisseur. Les roues pour les temperatures elevees peuvent avoir une epaisseur variant de 10em aim, scionla chute de pression acceptable de chacun des deux courants. Leur vitesse de rotation est generalement de 5 a 20 rpm.Etant donne que les pores des roues a chaleur transportent une petite quantite de gaz de la gaine d'air d'echappe-ment vers la gaine d'entree, il peut y avoir melange. Si ce melange est indesirable, le transport des gaz dechappe-ment peut etre partiellement elimine par I'installation d'une section de purge (figure 22) au une petite quantite d'airpropre est soufflee a travers la roue et rejetee dans I'atmosphere, nettoyant de ce fait les passages des gaz d'echappement,Les roues a chaleur sont de plus en plus utilisees pour recuperer la chaleur de l'air de precede dans des milieuxa temperature basse ou rnoderee, Les applications courantes sont les prechauffeurs de fours de fumage des alimentsou des etuves, ainsi que des prechauffeurs d'air de chaudiere. lls conviennent aussi tres bien pour Ie chauffage deslocaux ou de grandes quantites d'air de ventilation sont necessaires pour des raisons de salubrite et de securite.Caloducs (echangeurs de chaleur a thermosiphon)

Le caloduc est un echangeur de chaleur passif, it tubes it ailettes gaz-gaz. Comme lemontre la figure 23, les elementsforment un faiseeau de caloducs qui seprolongent it travers les gaines de gaz d'echappement et d'entree de l'air dansune disposition qui rappelle les echangeurs de chaleur a serpent in a ailettes, Chaque tube est, par contre, un elementdistinct scelle et muni, it I'interieur, d'une rneche annulaire qui fait toute la longueur du tube (figure 24), au centreduquel un fluide convenant a la transmission thermique est enferrne. Bien que les caloducs fassent toute la largeurde l'appareiI, une c1oison etanche separe les deux flux d'air, ernpechant tout melange.Le caloduc est compact et efficace, etant donne que Ie cycle devaporation et de condensation it l'interieur destubes constitue une facon tres pratique de transmettre la chaleur. La chaleur absorbee en provenance des gaz d'echappe-ment chauds fait evaporer Ie flu ide du caloduc a I'extremite chaude et pousse la vapeur vers l'extrernite froide. Lachaleur latente de l'evaporation est transportee sous forme de vapeur vers l'extremite froide du ealoduc situee dansIa gaine de gaz froid. La vapeur se condense en degageant sa chaleur latente. Le liquide condense circule alors parcapillarite (au par gravite) a travers la meche et retourne vers I'extrernite chaude au ilsc transforme de nouveau envapeur.Les caloducs sont concus pour fonctionner a des temperatures allant de -50 a 700 "C, Les elements qui fonc-tionnent a des temperatures allant jusqu'a 275 C sont fabriques en aluminium, en cuivre au en acier, alors que Ieselements destines it des chaleurs plus elevees sont generalement fabriques en acier.

Air froid iI rcchauf'Icr

"9EIlI r ce de la chaleu r

Chaleur perdue sous forme de gaz

Air chaud de procedc

U ilCia' chaud

(flux de chaleur perdue)II~Degagcmen I de Ja cha leur

Entree de l'air fro id

Systerne d'un caloducFigure 23

Degagcmcnt de l a cha leur< >Air chaud deprecede

Cloison itGaz perdu refroldi

CaloducFigure 24

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L'efficacite de la recuperation de chaleur de ces dispositifs va de 40 it 70 pour cent, selon I'usage qu'on en fait.Une efficacite de 60 pour cent constitue une valeur normale.

Les echangeurs de chaleur sous forme de caloducs atteignent leur efficacite maximale s'ils fonctionnent a contre-courant des flux d'air. Cependant, its peuvent fonctionner it efficacite reduite si les courants d'air sont paralleles.Par exernple, un echangeur de chaleur it caloducs fonctionnant avec une efficacite de 60 pour cent dans une disposi-tion it centre-courant, pour des flux d'air d'une masse donnee, n'atteindra que 48 pour cent defficacite dans unedisposition a courants paralleles, pour des flux d'air de masse egale. De facon generate, on estime que l'efficacited'une disposition a courants paralleles represente 80 pour cent de l'efficacite d'une disposition a contre-courant.Les vitesses de surface des echangeurs a caloducs sont de 2,0 a 4,0 mis, mais les vitesses de 2,3 a 2,8 m/s sontles plus courantes. Les chutes de pression pour une efficacite de 60 pour cent (chaleur sensible) vont de 0,10 a 0,175kPa, a 2,0 m/s jusqu'a 0,375 it 0,50 kPa, a 4,0 m/s. L'efficacite de la recuperation est inversement proportionnelleit la vitesse, mais l'effet n'en est pas aussi prononce que pour la chute de pression.

Les applications de ces dispositifs incluent Ie chauffage de l'air des sechoirs et des fours et Ie prechauffage del'air de combustion des chaudieres,Equipement des Pompes a Chaleur

Les pompes a chaleur sont des dispositifs qui servent a reconditionner la chaleur perdue, c'est-a-dire a . augmenterla temperature d'un flux de chaleur perdue pour qu'elle atteigne Ie degre desire.

Lcs pompes a chaleur font appel it une source denergie externe (comme l'electricite) pour augmenter la tem-perature de la chaleur perdue recuperee, Ce systeme fonctionne fondamentalement comme un cycle de refrigerationinverse. Le liquide qui circule dans l'evaporateur absorbe la chaleur provenant de la source de chaleur perdue et setransforme en vapeur; la vapeur est alors cornprirnee, ce qui eleve sa temperature. De la, elle se dirige vers Ie conden-sateur ou la chaleur a'isorbee precedernrnent est transmise au f1uide qu'elle doit rechauffer,Genres de pompes a chaleur

Les pompes a chaleur sont normalement classees en fonction du genre de source de chaleur et de puits thermiqueutilise. De nombreuses configurations sont possibles pour la source de chaleur et Ie puits thermique, selon la formede la chaleur perdue. Celles qu'on utilise dans les applications de recuperation de la chaleur perdue sont, notam-ment, les pompes :

air-air eau-air air-eau eau-eauDans chacun des cas enurneres, Ie premier terme renvoie a la source de chaleur et le deuxieme, au puits ther-

mique, ou flux qui recevra la chaleur extraite.La pompe it chaleur air-air est le genre le plus repandu pour Ie chauffage des locaux tant residentiels que com-

merciaux. La chaleur est extraite d'un flux d'air exterieur ou d'un gaz d'echappement: sa temperature est augmen-tee et la chaleur est dissipee dans Ie local a chauffer.

Une pompe a chaleur eau-air utilise l'eau comme source thermique et I'air pour transmettre la chaleur dans Ielocal a . chauffer.

Les pompes it chaleur air-eau sont couramment utilisees pour produire de I'eau chaude pour des besoins indu-striels. Ces systemes extraient la chaleur des gaz d'echappement pour la transmettre a I'eau.

Vne pompe a chaleur eau-eau extrait la chaleur d'une source d'eau, tout en la rejetant simultanernent dans unpuits thermique d'eau, soit pour chauffer les locaux, soit pour des precedes.Elements d'une pompe a chaleur

Pour la plupart, les elements et les methodes utilises pour les pompes a . chaleur sont directement relies a la refri-geration. Le Manuel 11de cette serie, "Refroidissement et pompes a chaleur", a traite du sujet en detail. La figure4 du present manuel montre une representation graphique de la pompe a chaleur.

Les principaux elements en sont : les compresseurs de refrigerant les evaporateurs les dispositifs d'etranglement les condenseurs

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Sucuun

Cflterefoulcment

Section- - - - - - - -UcC10nRctoulcmcnt

Vue interieure d'un gros compresseur rotatif Compresseur rotatif it double heiice

Oiftuscursans aube VoluteJoint d'ctanchcitc

Roue de turbine

Aubes directricesd 'admiss.on

Compresseur centrifuge de refrigerationSoupape

d'aspirationSoupapc der efoulement

Pistons

Fillreit huile

Boitier herrnetique Vilebrequin monopieceCompresseur hermetique Compresseurs it pistons classlques Compresseur de type ouvert

Compresseur de pompe a chaleurFigure 25

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Les compresseurs :Les compresseurs a deplacernent et les compresseurs dynamiques sont utilises couramment dans les pompcsthermiques.Les compresseurs a deplacement augmentent la pression du fluide de travail en reduisant Ievolume de la chambrede compression. Pour ce faire, Ie travail de l'arbre est transmis au mecanisme. Cette categoric comprend : les compresseurs it piston les compresseurs rotatifs les cornpresseurs a vis (rotatifs a helices)Les compresseurs dynarniques augmentent la pression du refrigerant grace a un echange constant du mouve-ment angulaire entre un element mecanique rotatif et Ie fluide qui est compr ime , Cette categoric comprend : les compresseurs centrifuges les turbocompresseursLa figure 25 presente les diagrammes de plusieurs compresseurs enumeres ci-dessus. De taus ces genres, lescompresseurs a piston sont les plus utilises. C'est avant tout parce qu'ils : sont efficaces pour un vaste eventail de charge; sont vendus dans une grande variete de dimensions et de capacites: sont relativement bon marche.Les evaporateurs et les condensateursLe choix d'un evaporateur et d'un condensateur depend de la nature de la source de chaleur perdue (gaz au liquide)et du puits thermique prevu (gaz au liquide).Les evaporateurs couramment utilises comprennent : Les serpentins a dilatation directe consistant en une serie de tube

SGE Recuperation Chaleur Perdu

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