Hedi ROMDHANA Enseignant Chercheur AgroParisTech Amélioration de l’efficacité énergétique du procédé de séchage : de la conception optimisée à la conduite performante de l’existant 1 HA12
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
Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH
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
Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH
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
Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH
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
Identifier les meilleures possibilités d’intégration énergétique du séchage Récupération d’énergie : diagnostic par l’analyse PINCH
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
Séchage à la VESIntégration énergétique
42
Séchage à la VESIntégration énergétique
43
Séchage à la VESIntégration énergétique
44
Séchage à la VESIntégration énergétique
45
Séchage à la VESIntégration énergétique
46
Séchage à la VESApplications industrielles
47
Séchage à la VESApplications industrielles
Rotating reactor Vessel (Eirich) Produit Boue Capacité évap. 1 t/h
Récupération Energétique Recyclage
48
Séchage à la VESApplications industrielles
49
Séchage à la VESApplications industrielles
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