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Theses Year : 2010

Integration of a heat pump in a food industry process: simulation, experimentation and integration

Intégration d'une pompe à chaleur dans un procédé agroalimentaire : simulation, expérimentation et intégration

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Abstract

Energy and environmental contexts will impose long term efforts in energy efficiency in industry. Heat pumps for high-temperature applications and industrial use have often been neglected though many opportunities exist for recovering the waste heat generated by industrial processes. A laboratory industrial scale heat recovery system including a heat pump is designed and built to carry out experimental simulations by reproducing the operating conditions of real case applications in food industries. The system operates using pinch analysis principle. Several typical scenarios for low- temperature heat recovery and heat upgrading are experimentally simulated. First and second law of thermodynamics are applied to experimental results and show that improving heat pump performance is a major challenge to increase its efficiency and profitability. A detailed numerical model of shell and U-tube evaporators with a generic flow arrangement is developed and experimentally validated. A new method of intermediate complexity level is developed to model these types of evaporators: distributed parameter model using Modelica language. This level of complexity is necessary to simulate accurately the zeotropic refrigerant mixtures evaporation. An overall liquid-to-liquid industrial heat pump model is developed including the evaporator model. Numerical simulations in a typical industrial scenario with zeotropic mixtures, original and modified condensers, and flow arrangement of evaporators are performed. Results showed that it would be possible to improve the performance significantly with zeotropic mixtures if the heat pump heat exchangers had counter-flow arrangement.
Les contextes énergétiques et environnementaux imposeront durablement au secteur industriel la poursuite des efforts en matière d'efficacité énergétique. La récupération de chaleur fatale sur des rejets et effluents industriels à basse température avec des pompes à chaleur industrielles représente un potentiel d'amélioration significatif de l'efficacité énergétique de ce secteur. Un simulateur expérimental de l'intégration d'un système de récupération thermique à pompe à chaleur dans les procédés industriels agroalimentaires a été conçu et construit. Le banc d'essais constitue un générateur de courbes composites et son but est de démontrer le principe du pompage de la chaleur dans l'industrie tout en respectant les lois de la méthode du pincement. Un ensemble de scénarios industriels correspondant à des températures procédés et rejets variées a été testé sur le simulateur. L'analyse des résultats selon les premier et deuxième principes de la thermodynamique montre que l'amélioration de la performance de la pompe à chaleur est un défi pour augmenter son efficacité et sa rentabilité. Un modèle numérique des évaporateurs tubes-calandre en épingle de configuration générique est développé et validé expérimentalement. Une nouvelle méthode ayant un niveau de complexité intermédiaire est élaborée pour modéliser ces évaporateurs : discrétisation en volumes finis utilisant le langage Modelica. Ce niveau de détail est indispensable pour simuler son fonctionnement avec les mélanges de fluides zéotropes. Enfin, un modèle complet de pompe à chaleur industrielles liquide/liquide est développé intégrant le modèle de l'évaporateur. Des simulations numériques dans un scénario industriel typique avec des mélanges de fluides et des configurations originales et modifiées des échangeurs tubes-calandres ont été effectuées. Les résultats montrent qu'il est possible d'améliorer significativement les performances à condition d'utiliser les mélanges zéotropes avec des condenseurs et évaporateurs tubes-calandres à configuration contre- courants.
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Dates and versions

pastel-00573010 , version 1 (02-03-2011)

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Cite

Khattar Assaf. Intégration d'une pompe à chaleur dans un procédé agroalimentaire : simulation, expérimentation et intégration. Autre. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENMP0052⟩. ⟨pastel-00573010⟩
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