Récupération de chaleur dans les procédés de séchage - Les pompes à chaleur à haute température

Résumé et principaux résultats

Cette étude dresse un état de l'art de la récupération de chaleur dans les séchoirs. Si les échangeurs de chaleur sont souvent mis en oeuvre pour récupérer de l'énergie, il a été démontré qu'ils ne peuvent valoriser qu'une fraction de la chaleur (sous forme sensible). Les pompes à chaleur sont rarement utilisées pour la récupération d'énergie. Elles sont limitées à l'heure actuelle à une température de séchage inférieure à 60 °C dans la plupart des cas. Les difficultés majeures de mise en oeuvre des PAC résident dans la conception de la configuration (architecture du cycle et circuit d'air) et, en pratique, dans la régulation des paramètres de fonctionnement. Il a été démontré et confirmé par les calculs que les débits d'air traversant l'évaporateur et le condenseur devaient nécessairement être différents. Si les freins au développement de PAC sont levés (fluides frigorigènes, compresseur, températures maximales, lubrifiant, basses pressions, etc.), les PAC disposent d'un potentiel de développement très important, en permettant de récupérer l'énergie des effluents gazeux (60 à 80 °C) et de produire de l'air à haute température (130 °C si cela est nécessaire et faisable pour le séchage). Un outil informatique a été développé afin de simuler les performances de PAC pour un large spectre de conditions de fonctionnement. L'influence des principaux paramètres a été évaluée (température et hygrométrie de l'air de séchage et hygrométrie de l'air refroidi par l'évaporateur, proportion du débit d'air refroidi). La consommation électrique des postes auxiliaires (en particulier des ventilateurs) influence grandement le rendement final du séchage par PAC. Les PAC présentent le potentiel de gain le plus élevé pour toute la gamme de température étudiée, à condition que la teneur en eau soit au-delà d'un certain seuil (pour que sa condensation dans l'évaporateur permette de restituer son énergie latente). Si les propriétés du fluide frigorigène utilisé l'y autorisent, la plage de température s'étalant de 70 à 90 °C est la plus prometteuse, avec la consommation électrique minimale. Pour des températures d'air chaud plus élevées, l'eau pourrait être utilisé, et aboutirait à des rendements très élevés.
Title:
Heat recovery in drying processes - high temperature heat pumps
Abstract:
A survey on the state-of-art of heat recovery in drying processes has been carried out in this study. If heat exchangers are often implemented for heat recovery, it has been demonstrated on they can only recover a fraction of the available heat. Heat pumps (HPs) are scarcely used for heat recovery. They are currently limited to drying temperatures below about 60 °C in most cases. The major difficulties for the implementation of HPs stem from process flow architectures (thermodynamic cycle and air circuit) and, in practice, in the control of drying operating parameters. It was demonstrated and confirmed that air flows through the evaporator and the condenser must necessarily be different in order to optimize an HP implementation. If the barriers to the use of HPs are lifted (refrigerants, compressor technology, temperature leves, lubricants, etc.), HPs have a high potential development, because they enable high heat upgrade from low energy streams (60 to 80 °C) to high temperatures (up to 130 °C). A simulation tool was developed to predict HP performance for a wide range of operating parameters (drying temperature, air psychrometric conditions, evaporator air bypass fraction, etc.). It was shown that energy parasitic consumption (mostly fans) greatly influences drying energy efficiency. If appropriate refrigerant fluids are used, the temperature range from 70 to 90 °C is the most promising one, resulting in minimal electrical consumption. For higher temperatures, water could be used as a refrigerant, leading to high efficiencies.

Commissions

Thermique industrielle

Thème

Séchage - Energies radiantes et Thermique générale

Mots-clés

Pompes à chaleur, Récupérateurs de chaleur, Séchage, Séchoirs, Utilisation de la chaleur dans l'industrie

Auteurs

BENSAFI Ahmed