La chaleur recyclée des usines profite aux industries et à l’environnement
La majeure partie de la chaleur industrielle est perdue dans l’environnement sous forme de flux d’échappement ou de déchargement. Récupérer et réutiliser cette chaleur permet de réduire la consommation d’énergie, les émissions et les polluants. Cela permet aux entreprises industrielles de réduire leurs coûts, de respecter les réglementations et d’améliorer leur image avec des impacts plus larges sur la compétitivité. L’un des plus grands défis consiste à gérer l’immense variété des températures et des composants des produits d’échappement, ce qui complique l’utilisation d’échangeurs de chaleur standard. Le projet ETEKINA, financé par l’UE, a développé de nouveaux échangeurs de chaleur à caloducs sur mesure (HPHE, pour Heat Pipe Heat Exchangers) pilotés avec succès dans les industries de la céramique, de l’acier et de l’aluminium.
Un large espace de conception répond aux besoins des flux d’échappement complexes
Les caloducs sont des tubes scellés aux deux extrémités contenant un fluide caloporteur saturé, ce qui signifie que toute augmentation de température le fera se vaporiser. Ils sont utilisés pour la gestion de la chaleur dans des applications allant des ordinateurs aux satellites et aux engins spatiaux. Dans un HPHE, les caloducs sont installés en faisceaux fixés sur une plaque et placés dans un caisson. Une source de chaleur comme des gaz d’échappement s’écoule dans la section inférieure. Le fluide caloporteur se vaporise et monte dans les tuyaux où un dissipateur thermique, par exemple de l’air frais, s’écoule dans la partie supérieure de la coque et absorbe la chaleur. La structure fermée minimise les pertes tandis que la plaque minimise la contamination croisée entre les gaz d’échappement et l’air. Les HPHE nécessitent des surfaces plus petites pour un transfert de chaleur plus important par rapport aux approches conventionnelles. Cela les rend très efficaces et atténue l’encrassement. Le défi consiste à choisir les paramètres de façon à récupérer un maximum de chaleur à partir de flux de déchets complexes. Énormément de paramètres rentrent en ligne de compte, notamment le nombre, le diamètre, la longueur et le matériau des caloducs; leur configuration assemblée; et le fluide caloporteur utilisé.
Des modèles aux usines
Compte tenu de cette quantité de paramètres, une approche basée sur la mécanique des fluides numérique et une modélisation axée sur la simulation des systèmes transitoires (TRNSYS) ont été développées pour aider les chercheurs à concevoir des HPHE sur mesure pour trois applications industrielles. Par exemple, le HPHE à flux croisés et à ailettes résistant à l’encrassement (les ailettes augmentent la surface pour augmenter le transfert de chaleur) conçu pour récupérer la chaleur résiduelle d’un four à rouleaux a été le premier à être utilisé dans l’industrie de la céramique avec ce type de configuration. Les enveloppes des caloducs étaient en acier au carbone et l’eau faisait office de fluide caloporteur. «Nous avons dépassé l’objectif du projet, qui consistait à récupérer au minimum 40 % de la chaleur résiduelle des flux d’échappement. Nos HPHE sont également beaucoup plus compacts que les échangeurs de chaleur conventionnels, économisant ainsi un espace précieux dans l’usine. Outre leur efficacité, qui réduit les coûts et les émissions, ils permettent également un retour sur investissement court», explique Hussam Jouhara, coordinateur technique et scientifique du projet ETEKINA, affilié à l’Université Brunel, à Londres. Les systèmes ont réussi à récupérer la chaleur sans contamination croisée et l’ont renvoyée dans l’usine pour y être utilisée dans d’autres processus. Le concept HPHE développé dans le cadre d’ETEKINA est hautement évolutif et peut être adapté à tout type d’échappement industriel sur une vaste plage de température et pour toute une variété de dissipateurs thermiques, y compris l’air, l’eau et l’huile. Un nouvel outil de réplicabilité permettra d’évaluer rapidement le potentiel de récupération de chaleur résiduelle des futurs clients.
Mots‑clés
ETEKINA, HPHE, échappement, récupération de chaleur perdue, aluminium, céramique, acier, mécanique des fluides numérique, modélisation TRNSYS, échangeur de chaleur à caloduc, caloduc, échangeur de chaleur, industrie à forte intensité énergétique, efficacité énergétique, efficacité énergétique dans l’industrie
