Amélioration de l’efficacité énergétique du procédé de séchage : … · 2017-10-30 · Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humide Pression partielle de

Hedi ROMDHANAEnseignant Chercheur AgroParisTech

Amélioration de l’efficacité énergétique du procédé de séchage : de la conception optimisée à la conduite performante de l’existant

1

HA12

Sommaire

Bilan des connaissances théoriques du séchage à l’air humideAspects énergétiques, diagnostic…Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchageSéchage à la VESIntégration de pompes à chaleur

2

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humidePrincipe

Produit humide

Transfert massiqueTransfert thermique

Air de séchage

T 200°C le produit sèche

T 20°C le produit sèche aussi !

Force motrice ∝ Ecart de Pression

T

3

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humidePression partielle de la vapeur d’eau

Produit

Vapeur d’eau Chaleur

Air de séchage

Pression ambiante

P ,

P (bar) 1 bar0,1 bar0,01 bar

Force motrice

, : Pression partielle de

vapeur d'eau dans l'air humide

: Pression partielle de

vapeur d'eau dans la couche

limite

satV

V

PP(activité de l’eau)(humidité relative) RH

A l’équilibre (fin du séchage) : RH ≡

Couche limite massique

4

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humideTempérature sèche/humide (1/2)

Product

T

T

Vapeur d’eau Chaleur

Air de séchage

T (°C)

200°C 46°C≠ T ébullition

Couche limite thermique

5

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humideTempérature sèche/humide (2/2)

Température sèche Bulbe humide

Tissue / cottonC200

C46

AIR

vitesse 2 2,5m/s

6

Humidité absolue ou teneur en eau kg /kg Masse de vapeur d’eau dans 1 kg d’air

sec

Humidité relative Pa Pa⁄ Permet de se situer par rapport à la

saturation

Enthalpie kJ/kg Quantité de chaleur dans 1 kg d’air

sec

Température sèche °C Température de l’air humide

Température humide °C Température d’une goutte d’eau à

l’équilibre avec l’air humide

Température de rosée °C Température de saturation

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humideCaractérisation de l’air humide

as : air sece : eau

7

Diagramme de Mollier

200

100

0

50

0,01 0,05 0,1

Y (k

g e

/ kg

as)

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humide

1

Isotherme

Isenthalpe

8

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humideDiagramme de Mollier, Lecture des données (diagramme nonorthonormée !)

0

Y (k

g e

/ kg

as)

9

Bilan des connaissances théoriques séchage à l’air humideDiagramme de Mollier, Lecture des données : température humide/rosée

0

Températurehumide

Températurederosée

10

%

→ Séchageisenthalpe dubulbehumide

→ Refroidissementdel’airhumide

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideBilan de matière et de chaleur

Séchoir Batterie de chauffage

Utilité de chauffage

Sortie air

Entrée produit

Sortie produit Air de séchage

1P

2P0A

1A2A

Air ambiant

11

Bilans de matière sèche du produit : Bilans de l’air sec :

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideBilan de matière en régime continu établi

, ,

Peut être faussé par : Entrainements ( , ) Perte au feu ( , )

, , , ,

, ,

Peut être faussé par : Fuites ( , ) Infiltrations ( , )

, , , ,

12

Bilans d’eau, grâce à l’utilisation des teneurs en eau rapportées à la matière sèche :

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideBilan de matière en régime continu établi

Dans le cas d’un séchage par des gaz de combustion

: teneur en eau du produit (base sèch

: humidité absolue de l’air (base sèche

∆

∆ : eau apportée par combustion (base sèche)

13

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideBilan de chaleur en régime continu établi

Entrée = Sortie

Air

1 Produit 1

Chauffage de l’air Pertes par les parois

Distribution de l’énergie fournie :

1 1

S’écrit aussi :

1 1 0

Dans le cas d’un séchage isenthalpe (sans pertes):

1 1 0

14

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideCritère de consommation énergétique

EnergieFournieEauEvaporée

m H Hm Y H

H HY H

Consommation Energétique Massique « quantité de chaleur à fournir pour sécher l’unité de masse d’eau » :

Il est intéressant de comparer la CEM à la chaleur latente de vaporisation de l’eau prise à la température moyenne , du produit au cours du séchage « Rapport de Consommation Energétique » :

Le séchoir est d’autant plus efficace que le RCE se rapproche de 1

15

, ∆ ,Ex.

, /

Aspects énergétiquesséchage à l’air humideCritère de consommation énergétique : Interprétation

0

A1

A0

chau

ffage

A2

0

A1

A0

chau

ffage

A2

0

A1

A0 A2

Sans pertes ni combustion Avec pertes sans combustion Avec pertes et combustion

16

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideEtapes :

1. Collecte de données :

Caractérisation du circuit d’air humide : Un point de mesure doit compter au maximum deux

caractérisations (Ex. Température sèche/humide)

Mesure de débits d’air et de produit

Comptage de l’énergie : Ex. Débitmètre (gaz), Wattmètre non-intrusif (électricité) etc.

2. Traçage du cycle de séchage (Diagramme de Mollier ou sur Excel)

3. Indicateur de performance : CEM ou RCETpm Estimation du potentiel d’amélioration

4. Etablissement du diagramme de flux (Sankey)

5. Plan d’action

17

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideDiagnostic d’une tour d’atomisation

Lait concentré

Poudre

A0A1

A2

A3

Air ambiantChauffage

Cyclonage

Extraction d’air

Ventilo

18

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideDiagnostic d’une tour d’atomisation : Instrumentation/collecte de données

Lait concentré

Poudre

A0A1

A2

A3

Air ambiantChauffage

Cyclonage

Extraction d’air

Sonde annubar

Ventilo

19

Débit produitTempérature sècheTempérature humidePuissancePerte de charge

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideDiagnostic d’une tour d’atomisation : Cycle de séchage

T °C T °C Y g /kg H kJ/kg HR %

20 15 9 42 59220 48 9 ( ) 248 090 42 37 ( ) 190 870 40 37 168 18

Calculmesures

EfficacitéCEM 7269kJparkgd eauévaporée 4117pourséchageisenthalpe

RCE 3 1,72pourséchageisenthalpe

Potentield’amélioration:environ1,3pointsurRCE

20

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideDiagnostic d’une tour d’atomisation : Diagramme de flux

Puissancefournie

Entrée Produit Sortie Produit

Pertes 1

Pertes 2

Air parasite

Pertes 3

Tour de séchage

26kW26kW

2kW2kW

126kW100%126kW100%

24kW19%24kW19% 5kW5kW

13kW10%13kW10%

4kW3%4kW3%

152kW152kW 121kW121kW108kW86%108kW86%

21

Diagnostic énergétiqueséchage à l’air humideImplémentation de macros VBA sous ExcelAfficher l'onglet Développeur dans Excel : depuis Fichier/Options/Personnaliser le ruban, cocher l’onglet Développeur

Ecrire des macros : depuis Développeur, cliquer Visual Basic

depuis Insertion, insérer un module ou bien Fichier/Importer pour charger un module déjà écrit (Ex. module AirHumide)

Utilisation de psat dans Excel

Function psat(T)' pvsat : pression de vapeur d'eau en bar' Température T en °CIf T > 0 And T <= 45 Then

psat = 0.00001 * Exp(23 - 3802 / (T + 273) - (472.68 / (T + 273)) ^ 2)ElseIf T > 45 Then

psat = 0.00001 * Exp(23 - 3816 / (T + 227))End IfEnd Function

C'est dans cette fenêtre qu'on édite le code VBA

22

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Comment ?

- Saturer l’air sortant au maximum

- Utiliser un air à température la plus élevée possible

- Procédé par chauffage multiple de l’air

- Recycler une fraction de l’air sortant

- Récupération de l’énergie du séchoir : Diagnostic par l’analyse PINCH

- Séchage multiple intégré à haute et basse température

23

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Saturer l’air sortant au maximum

0

chau

ffage

H/

Y /

HR = 100%

- Freiner l’avancement du produit dans

un tambour rotatif (pales), ↘ vitesse

de rotation

‐ ↘ la vitesse d’avancement dans un

séchoir tapis

‐ ↗ temps de séjour du produit dans

un séchoir tunnel

- Atomisation multiple ou deux temps

24

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Utiliser un air à température la plus élevée possible

0

H/

Y /

HR = 100%

- Convient pour les séchoirs à co-

courant

- Utilisation des gaz de combustion

des chaudières comme air chaud

(Ex. séchage des fourrages)

25

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Procédé par chauffage multiple de l’air

0

H/

Y /

HR = 100%

Four tunnel

26

Produit

Four à 2

passages

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Recycler une fraction de l’air sortant

0

H/

Y /

HR = 100%

27

Foyer de combustion

mélangeur

Tambour rotatif

Cyclone

Ventilateur

Recyclage

Produit sec

Produit humide

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH

1) Inventaire : Température d’entrée/sortie, Débit d’air, humidité absolue ou Température humide de

l’ambiant

2) Construction de la courbe composite :

A) Rejets chauds :

• Calcul de la température de rosée

• Liste des températures (Température de sortie, rosée, … 0°C)

• Calcul des flux enthalpiques

• Ajustement des flux enthalpiques (0 kW à 0°C)

28


2) Construction de la courbe composite :

B) Flux froids :

• Liste des températures (Température ambiante, Température d’attaque)

• Calcul des flux enthalpiques

• Décalage des flux enthalpiques en respectant un écart minimum de température avec les

rejets chauds

29


3) Construction de la grande composite :

• Liste des températures (flux chauds et froids)

• Décaler les températures : ∆ flux froids, ∆ rejets

• Calcul du flux enthalpique net dans chaque intervalle de température

• Etablir une cascade énergétique en affectant une utilité chaude nulle à la température la plus

élevée

• Rétablir une deuxième cascade en affectant le maximum de déficit à la température la plus élevée

30


Débit d’air sec 1 kg/s

Air Ambiant 20°CEx. d’inventaire

Rejets chaudsT(°C) / Ajustement100 230 22240 164 15530 98 9020 56 480 9 0

Température de rosée

Y ↗

Air de sortie 100°C

Humidité Abs. Entrée 0,01 (bs)

Air de séchage 200°C

Y Cte

Besoin de chauffageT(°C) / Ajustement20 46 15980 107 220100 128 241160 190 303200 231 344

Y Cte

31

Construction de la courbe composite

Etape 1

Etape 2


020406080

100120140160180200220

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Chaud

Froid

Froid + décalage

Tem

péra

ture

°C

Flux enthalpique kW

Décalage

Pincement = 20°C

32

Construction de la courbe composite

Etape 2

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage

Tem

péra

ture

déc

alée

°C

Flux enthalpique net kW

Point de pincement 90°C

124 kW chauffage

158 kW Refroidissement

Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH

33

Construction de la grande composite

Etape 3

Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Séchage multiple intégré à haute et basse température

Ex. de séchage de fourrages

34

120 kg

27.8 MJ/kg

30% wood ships

70% coal

20°C

1353 kg

900 kg

20°C

4.65 kg

11 MJ

3840 kg

744°C

80°C h

2500 kg 60% wb

54% wb 22202 kg

12% wb1138 kg

30%70%

3433 kg

101°C

80°C h

2768.3 kg

67°C

8 to

ns

74°C

28°C

20°C

1721.9 kg

≤

37 kg

665 kg

69°C31°C h

30 738 kg

45°C

Séchage à la VESPrincipe 4 bar

1 bar

Domaine de la VES

2 bar

Saturation

35

Séchage à la VESAvantages Récupération et valorisation de la vapeur issue du produit:

- Récupération d’énergie

- Récupération des solvants/mauvaises odeurs

• Vitesse de séchage accrue

• La pression dans le séchoir peut être augmentée

- Réduire la taille

- Récupérer facilement la vapeur

• La pression peut être réduite (produits thermosensibles)

• Absence d’air

- Élimine le risque d’oxydation du produit

- Elimine l risque d’explosion

• Amélioration de la qualité du produit : meilleure couleur (légumes), meilleure digestibilité (pulpes de betterave),

rétention d’arômes, solidité (papier), diminution fissuration (bois), stérilité microbio…

36

Séchage à la VESInconvénients

Problèmes de température avec les produits thermosensibles

Difficultés technologiques pour l’alimentation et la récupération du produit

Risque de condensation

Investissement plus élevé que pour l’air (pénalisant pour les produits saisonnières)

Encrassement

Difficultés de démarrage et d’arrêt (séchoir initialement rempli d’air)

37

Séchage à la VES

Principe

38

Séchage à la VESPerspectives de développement

Le séchage VES peut convenir pour n’importe quel type de séchage direct

0

1

2

3

4

5

6

0 100 200 300 400 500 600 700

Flot tombant

Lit Fluidisé

FourTunnelLit fixe

Flash

Tambour rotatif

Temperature VES°C

Pressionbar abs.

Conceptions à l'échelle du laboratoire

Vide

partiel

Conditions

pressurisée

atm. pressure

39

Séchage à la VES

Intégration énergétique

Un même séchoir aura une efficacité énergétique très différente selon l’environnement où il est intégré :

- A) Sans récupération énergétique

- B) Avec récupération énergétique externe au séchoir

- C) Avec récupération énergétique sur le séchoir lui même

40

Séchage à la VESIntégration énergétique

41


42


43


44


45


46

Séchage à la VESApplications industrielles

47


Rotating reactor Vessel (Eirich) Produit Boue Capacité évap. 1 t/h

Récupération Energétique Recyclage

48


49


50

Séchage à la VESApplication semi-industrielle (Programme ADEME-TOTAL, 2012)

non-condensable gases

Condensates

Steam condenserscrubber

SHS blower

Wet-product

rotary dryer:- co-current- direct contact- triple pass

lock

Dried product

Combustion air

Steam superheater

Fuel gas Combusti on

furnace

Air preheating

Combustion gases blower

SHS up 600°C, 2 bar

Combustion air blower

Cold utility

preheated air

exhaust steam

Dilution gases

recycled steam

PROCESS

51

Séchage à la VESApplication semi-industrielle (Programme ADEME-TOTAL, 2012)

PROCESS

52

Séchage à la VESComparaison de la CEM de différents séchoirs industriels

Type de séchoir Produit Récupération énergétique

Séchoir pneumatique(Stork)

0,47-0,82 3,53-4,12 Pulpe cellulosique Utilisation de la vapeur (~3 ) dans un procédé voisin

Lit fluidisé(EnerDry)

0,47-0,68 2,88 Pulpe de bettrave, Luzerne

Intégration dans une sucrerie

Lit Fluidisé(Karthikeyan et al. 2009)

0,45 3,10-4,00 Charbon CMV

Flot tombant(Swasdiesvi et al. 2013)

3,70-6,70 6,80-8,90 Riz Recylage de la vapeur (60-90%)

53

Séchage à la VESDiagnostic énergétique du couplage VES/Air Chaud

Schéma du principe du préséchage à l’air humide suivi d’un séchage de finition à la VES (A-VES)

Schéma du principe du préséchage à la VES suivi d’un séchage de finition à l’air humide (VES-A)

Scenario / Capacité évaporatoire

/ / /

Air VES Total

A-VES 4.197 1.910 0.515 1.682 2.197

VES-A 4.057 1.846 0.804 1.393 2.197

54

Intégration de pompes à chaleurPrincipe

W

Circuit frigorifique Air humide

HPBP

SéchageQrQp

: Chaleur restituée: Chaleur pompée: Travail de compression

enthalpie

1

234

4

1 3

2

3

5

5

1

BP

HP

COPQW

Q W

CEMW

débitévap.

55

Intégration de pompes à chaleurDomaine de température, produits séchés, fluide Frigo.

100°C

20°C

80°C

60°C

40°C

Bois1Boues2

plantesépices3

Tem

péra

ture

de

séc

hage

ConfiserieCroûtonsPoissonViandeFruits

Algues4

Four tunnel, Lit fixe

1Hydro-Quebec Research Ins. 3Leibniz Inst. for Agri. Eng. (Germany)2Spain Company in low temperature sludge drying 4Nyle Systems

Offre inexistante, Domaine R&D

Machines de climatisation adaptées à haute température, fonctionnant avec le R134a

Machines spécifiques utilisant l’ammoniacou des fluides HFC comme le R236a ou le R245fa.

56

Intégration de pompes à chaleurExemple d’intégration d’une PAC dans un séchoir basse température

0

A1

A0

Cha

uffa

ge

A2

H (k

J/kg

as)

Y (kg eau / kg as)

114

85

0,0225 0,03

Séchage sans PAC

55°C

27°C

CEM114 85

0,03 0,0225 3867kJ

kgeauévaporée

38672425 1,6

57

Intégration de pompes à chaleurExemple d’intégration d’une PAC dans un séchoir BT

0

A1

A0

Cha

uffa

ge

A2

H (k

J/kg

as)

Y (kg eau / kg as)

114

85

0,0225 0,03

A3A1A2

A0

Compresseur

Séchoir

Détendeur55°C

27°C

Dimensionnement pour un pincement de 10°C

T évaporation = 27-10 = 17°C

T condensation = 55 +10 = 65°C

27°C

55°C

58

Intégration de pompes à chaleurExemple d’intégration d’une PAC dans un séchoir BT

140 kJ/kg

30 kJ/kg

Hypothèses : 8,0méca• Rendement mécanique

• Compression isentropique• Débit massique de R134a = 5,5 kg/min

kWW 44,330608,0

5,5

Travail de compression :

eeas

kgkJYm

WCEM /106643,00075,0

44,3

10662425 0,44

59

Merci de votre attention !

Le jeudi 12 octobre 2017, 9h30 - 16h30

Séchage industriel et efficacité énergétique

Guide en ligne :LES PROCÉDÉS DE SÉCHAGE DANS L'INDUSTRIE (CETIAT-ADEME)

60

Documents

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