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​Efficacité énergétique pour les procédés industriels : bien gérer la chaleur pour diminuer la dépense énergétique

Echangeurs thermiques

Publié le 25 octobre 2016

Le CEA Liten développe depuis 35 ans des travaux sur l’efficacité énergétique pour les procédés industriels. Le but de cette activité est de diminuer la dépense énergétique de procédés grâce à la gestion de la chaleur :

  • soit par la réduction de l’apport initial d’énergie,
  • soit par une valorisation plus complète de cet apport (valorisation des rejets thermiques),
  • soit par l’utilisation des sources renouvelables.


Le CEA Liten aborde ces thématiques sous deux approches complémentaires : le développement de technologies innovantes et des prestations de conseils scientifiques pour améliorer l’efficacité de points bien précis. Pour cela, il s’appuie sur des compétences en mécanique des fluides, transfert thermique, chimie, simulation, ainsi que la construction et la mise en œuvre d’installations expérimentales.


AVANTAGES


Des technologies permettant de réduire l’impact environnemental et le coût des procédés

-    réduction de la consommation d’électricité ou d’énergie fossile

-    amélioration de l’efficacité des systèmes

-    réduction du coût des installations

-    optimisation du fonctionnement des équipements pour en garantir la performance

PROJETS

Exemples de technologies développées :

-    Production de chaleur renouvelable : le capteur thermique à caloduc.

Cette technologie de capteurs solaires développée à partir d’un brevet CEA est destinée à des réseaux de chaleur ou à des procédés industriels basse température (80 à 120° C). Ces capteurs basés sur la récupération de chaleur solaire par des caloducs ont été mis au point avec la start-up SAED puis repris par l’industriel Viessmann. L’avantage de cette technologie est d’être très simple à installer (le fluide collecteur de chaleur ne rentre pas dans le tube récepteur, les éléments ont donc juste à être assemblés pour la faire fonctionner), efficace à coût réduit car elle n’utilise pas de miroirs comme dans le cas des technologies de concentration par miroirs de Fresnel. Elle est adaptée à des réseaux de chaleur ou à de petites installations industrielles. La production de chaleur renouvelable pour l’industrie peut en revanche utiliser les technologies de concentration par miroirs de Fresnel développées pour les centrales solaires thermodynamiques pour fournir de la chaleur à plus haute température.


-    Valorisation de la chaleur fatale pour la production de froid :

Le CEA Liten a conçu une machine de production de froid par un cycle à absorption ammoniac-eau en partant de l’idée de climatiser des bâtiments avec la chaleur excédentaire des panneaux solaires thermiques. Elle est désormais développée à grande échelle (100 kW à 1 MW) pour produire du froid industriel autour de 0° C en utilisant des rejets thermiques basse température (80° C). L’intérêt de cette approche par rapport à un système de climatisation classique, par compression mécanique de vapeur, est de diviser la consommation électrique par 10. En outre, la technologie du CEA Liten utilise 3 à 4 fois moins d’ammoniac que les technologies existantes sur le marché. Ce système, déjà installé à l’Ines pour climatiser les bureaux d’un laboratoire, est commercialisable. Un partenariat est en cours de développement avec un industriel pour déployer la technologie pour de fortes puissances (>100kW).


-    Développements d’échangeurs-réacteurs.

De nombreuses réactions chimiques dégagent ou requièrent de la chaleur pour être réalisées (exo ou endothermiques), tout en nécessitant une température des réactifs bien précise. Le CEA Liten développe depuis plusieurs années une nouvelle technologie dont le but est de réaliser ces réactions en continu dans un échangeur de chaleur, qui permet d’apporter ou de dissiper la chaleur suivant les cas. Ces travaux ont trouvé une application particulière dans la filière de stockage d’électricité dite « power to gas », pour la production de méthane à partir de gaz carbonique récupéré sur un procédé qui en émet une grande quantité et d’hydrogène. Un prototype de taille semi-industrielle doit être construit et testé dans les années à venir. Ces équipements sont de taille bien plus restreinte que les technologies utilisées à ce jour, ce qui constitue un intérêt économique important.


Exemples d’activités études scientifiques et technologiques :


-    Encrassement des échangeurs.

Le CEA Liten étudie depuis de nombreuses années les différents mécanismes de dépôt de particules solides que l’on rencontre sur les procédés industriels par des approches de simulation et d’études expérimentales. Il s’agit d’études phénoménologiques, notamment au travers de travaux de thèse. Le but est de prédire l’apparition de l’encrassement et de proposer des solutions (choix des équipements, adaptation des conditions de fonctionnement…) pour le limiter. La prévention de l’encrassement est cruciale car celui-ci peut entraîner des surcoûts bien supérieurs aux gains générés par la valorisation de chaleur perdue. Le CEA Liten collabore notamment avec Total sur le cas particulier des fluides pétroliers pour lesquels une installation expérimentale dédiée a été construite à Grenoble.  


-    Conseil thermique.

Le CEA Liten apporte notamment son expertise de simulation et construction d’installations expérimentales pour étudier différentes technologies de refroidissement. Elles permettent de garantir le bon fonctionnement des équipements pour lesquels l’apport ou l’extraction de chaleur sont des phénomènes primordiaux. C’est notamment le cas pour différents types d’équipements électroniques où la miniaturisation entraîne des difficultés de gestion du refroidissement (LEDs, cartes électronique, packs de batteries utilisés pour les véhicules électriques).

-    Etudes amont.

Des travaux plus prospectifs sont réalisés en interne ou en collaboration avec des industriels au travers de travaux de recherche dans le cadre de thèses :

  • Intensification des transferts thermiques par l’utilisation des ultrasons,
  • Distribution diphasique et traçage d’écoulements dans les échangeurs plaques et ondes avec Fives Cryo,Modélisation numérique et validation expérimentale des phénomènes de condensation dans un tube vertical immergé avec DCNS.

REPERES

-    une vingtaine de chercheurs
-    55 brevets
-    Publications :

F. Théron, Z. Anxionnaz-Minvielle, M. Cabassud, C. Gourdon, P. Tochon, « Characterization of the performances of an innovative heat-exchanger/reactor », Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Elsevier

Selma Ben Saad, Patrice Clément, Jean-François Fourmigué, Caroline Gentric, Jean-Pierre Leclerc, « Single phase pressure drop and two-phase distribution in an offset strip fin compact heat exchanger », Applied Thermal Engineering, Elsevier

Remi Bertossi, Nadia Caney, Jean Antoine Gruss, Olivier Poncelet, « Pool boiling enhancement using switchable polymers coating », Applied Thermal Engineering, Elsevier

Charles-Victor Hemery, Franck Pra, Jean-François Robin, Philippe Marty, « Experimental performances of a battery thermal management system using a phase change material », Journal of Power Sources, Elsevier

D. Khaophone, M. Miscevic, J-F. Fourmigué, J. Pouvreau, V. Melot, « Steam suction and direct-contact condensation in partially submerged vertical pipe – adiabatic study », 9th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, April 26-30, 2015 – Boulder, Colorado


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