Projet de reconstruction étude de cas: Récupération de chaleur du turbo exhausteur

Énergie
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L’importance de la récupération de chaleur

Une quantité importante de chaleur résiduelle est générée comme sous-produit du procédé de fabrication du papier. La plus grande partie de cette chaleur ne peut pas être réutilisée directement dans le procédé, car elle contient une forte teneur en humidité et/ou particules et gaz indésirables. L’équipement de récupération de chaleur (Figure 1) constitue un élément fondamental des activités d’une usine écoénergétique, qui fournit :

  • Un avantage concurrentiel / des économies d’énergie
  • Une réduction des émissions de gaz à effet de serre
  • Une réduction de la charge de la chaudière

La planification d’un projet potentiel de récupération de chaleur exige une analyse quantitative des sources de chaleur et puits de chaleur disponibles.

enerquin 11juillet22 2Figure 1 – Economie d’énergie dans un usine à papier

 

enerquin 11juillet22 3Tableau 1 – Sources et puits potentiels pour les projets de récupération de chaleur

Planifier des projets de récupération de chaleur économiquement viables

Le rendement du capital investi est un facteur déterminant pour la comparaison de divers projets potentiels de récupération de chaleur et pour l’approbation finale du projet. Le rendement du capital investi dépend des éléments suivants :

  • Coût total du projet : en général, l’utilisation d’une source ayant une grande capacité de production de chaleur nécessite un équipement de récupération de chaleur plus réduit et moins coûteux.
  • Calcul des économies d’énergie annuelles : seule la chaleur récupérée qui est utile doit être prise en compte dans ce calcul (c’est-à-dire la récupération de chaleur pour la ventilation de l’édifice n’est normalement pas requise pendant les mois les plus chauds).

Le turbo exhausteur comme source de chaleur  

Les turbo exhausteurs sont une solution de remplacement aux pompes à vide à anneau liquide dans la fabrication de papier et carton. La vitesse élevée du moteur et la compression de l’air génèrent une quantité considérable de chaleur, qui est envoyée vers la cheminée d’évacuation. En Europe et en Asie, plus de 90 % des installations de turbo exhausteurs comprennent des systèmes de récupération de chaleur air/air. Le système de récupération de chaleur peut être installé en même temps que le turbo exhausteur, ou après coup, comme projet de mise à niveau. En Amérique du Nord toutefois, moins de 10 % des systèmes avec turbo exhausteur comportent un système de récupération de chaleur. L’air ventilé par le turbo exhausteur contient une énorme quantité de chaleur, et de 70 % à 75 % de cette chaleur environ peut être récupérée et utilisée pour diverses applications pratiques.

Récupération de chaleur air/air

Un échangeur de chaleur indirecte à tubes a été conçu pour répondre aux besoins de chauffage du système de ventilation de poches (Figure 3). L’air de ventilation de poches a été sélectionné comme puits, puisqu’il exige un apport continu en chaleur tout au long de l’année et qu’il est relativement près du turbo exhausteur.

enerquin 11juillet22 4AFigure 3 – Schéma de la circulation de l’air, avant et après

Un économiseur à tubes a été sélectionné (Figure 4), car il offre une grande flexibilité relativement à ses dimensions d’ensemble. Cet élément est fondamental pour les projets de reconstruction, puisque l’espace disponible pour de nouveaux équipements peut être plutôt limité. L’échangeur de chaleur a été conçu de manière à répondre aux exigences clés suivantes pour le projet :

  • Minimiser les pertes de pression afin qu’aucun ventilateur d’appoint ne soit requis.
  • La vélocité des flux d’air à l’intérieur des tubes est suffisamment élevée, de manière à avoir un courant turbulent, et donc un coefficient de transfert de chaleur maximisé.
  • Un temps de passage assez long pour optimiser le transfert de chaleur.

Un plenum placé au-dessus de l’économiseur contient des douches qui nettoient les tubes. L’eau utilisée pour ce processus de nettoyage, de même que toute condensation générée sont recueillies par cuvier qui sert également de support à l’échangeur. L’installation a été presque entièrement réalisée pendant le fonctionnement de la machine. Les raccords finaux au système de ventilation de poches et à l’évacuation du turbo ont été effectués lors d’un arrêt de maintenance régulier de la machine.

enerquin 11juillet22 5Figure 4 – Conception et installation de l’équipement 

Résultats

La chaleur récupérée à partir de l’échangeur de chaleur était suffisante (Tableau 1) pour atteindre la température cible de l’air du système PV4 sans devoir utiliser les serpentins à vapeur. Ainsi, un total de 3,80 MMBTUH de chaleur est récupéré par le système, ce qui excède légèrement les projections théoriques établies avant le début du projet.  Le rendement du capital investi du projet (installé) a été réalisé en moins de 18 mois. La température de l’air d’évacuation du turbo sortant de l’économiseur s’est avérée encore très élevée (température sèche de 211 F/ température humide de 134 F). Cet exemple contribue à illustrer la quantité importante de chaleur disponible dans le flux d’échappement, et le fait qu’une récupération de chaleur en aval est également possible.

enerquin 11juillet22 6Tableau 2 – Récupération de chaleur – résultats 


Source : Enerquin