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Projet du cours
Énergétique avancée
G p Ch
Fabrice Guignet
Serge Darbellay
Stefano Trono
26 février 2007Résumé
Ce rapport de projet présente les solutions des diérents exercices proposés tout au long du cours d'énergétique avancée.
Il est composé de trois cahiers :≥Exercice 1 : Production de vapeur pour la pasteurisation et cycle
de réfrigération de la bière≥Exercice 2 : Intégration d'un échangeur pour la récupération de
chaleur≥Exercice 3 : Projet d'évaluation de l'opportunité d'intégrer un moteur de cogénération dans un procédé industriel
Exercice 1
Production de vapeur pour la
pasteurisation et cycle de réfrigération de la bière
Groupe Chouffe :
Fabrice Guignet
Serge Darbellay
Stefano Trono
26 février 2007
Table des matières
1 Résultats 3
1.1 Facture énergétique de la chaudière au mazout (LFO) . . . . 3
1.2 Facture du cycle de réfrigération . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Analyse énergétique et exergétique . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Calcul de la substitution du mazout par du gaz naturel . . . . 3
2 Facture énergétique de la chaudière au mazout (LFO) 4
2.1 Débit de vapeur requis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Bilan aux bornes du brûleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Calcul de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Bilan énergétique de la chaudière au mazout . . . . . . . . . . 7
2.5 Facture du combustible et de l"eau d"appoint . . . . . . . . . 7
3 Facture du cycle de réfrigération 8
3.1 Calcul du débit d"eau glycolée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Calcul de la puissance du compresseur . . . . . . . . . . . . . 9
3.3 Facture d"électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Analyse énergétique et exergétique 11
4.1 Cycle de réfrigération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2 Bilan exergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Bilan du sous système production de vapeur . . . . . . . . . . 13
4.2.1 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2.2 Bilan exergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3 Pasteurisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.2 Bilan exergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Calcul de la substitution du mazout par du gaz naturel 16
2
1 Résultats
1.1 Facture énergétique de la chaudière au mazout (LFO)
(a) Débit de vapeur requis :
Mvap= 3.15[kg/s]
(b) Bilan aux bornes du brûleur :
Q= 7541.7[kW]
(c) Calcul de combustion : _MAst_
MF= 14.215? gA g
F? (d) Bilan énergétique de la chaudière au mazout : (MF·Δh
0i-MGcpGˆTG)·0.98 =Meau(hvap-heau)
(e) Facture du combustible et de l"eau d"appoint : C
LFO= 4707967.2[C /a ],C eau= 575.4[C /a ]
1.2 Facture du cycle de réfrigération
(a) Calcul du débit d"eau glycolée :
Meg= 366.5[kg/s]
(b) Calcul de la puissance du compresseur :
E+= 1263.46[kW]
(c) Facture d"électricité :C = 1463996.37[C /a ]
1.3 Analyse énergétique et exergétique
(a) Cycle de réfrigération := 557.79%,η= 57.14% (b) Production de vapeur := 96 8%,η= 27.1% (c) Pasteurisation := 89%,η= 94.8%
1.4 Calcul de la substitution du mazout par du gaz naturel
C annuel= 3690662[C /a ] 3
2 Facture énergétique de la chaudière au mazout
(LFO)
2.1 Débit de vapeur requisFig.1 - Vapeur
Le flow sheet nous donne les valeurs suivates :
M3=M4= 19.1[kg/s]
M1=M2 T
1= 193°C
T
2= 133.5°C
T
3= 4°C
T
4= 100°C
Le programme excelthermo_basedonne les valeurs suivantes des enthal- pies en fonction des pressions : p
1= 6[ba ]
p
2= 3[ba ]
h
1= 2834.4[kJ/kg]
h
2= 561.4[kJ/kg]
On a le bilan suivant :
h
1M1+h3M3-h2M2-h4M4= 0
M1(h1-h2) +M3(h3-h4) = 0
M1(h1-h2) +M3·cpBie e(T4-T3) = 0
M1=M3cpBie e(T4-T3)(h1-h2)=-19.1·3.91(100-4)2834.4-561.4= 3.15[kg/s] 4
2.2 Bilan aux bornes du brûleur
Nous commençons par calculer le débit d"eau d"appoint. A l"entrée du flash, le titre est nul. La détente dans le flash est considérée comme isen- thalpe. A l"aide du programmethermo_base, on trouve pour3[ba ]et133.5°C, une enthalpie de561.4[kJ/kg]. Lors de la détente, la pression chute à1[ba ]. Pour cette pression et cette enthalpie, le titre est alors de0.0637. Le débit de vapeur est alors de0.0637·3.15 = 0.200[kg/s]. Le débit d"eau d"appoint est donc de0.200/0.75 = 0.268[kg/s]. L"enthalpie étant une valeur extensive, on peut calculer la température à la sortie du flash de la manière suivante : Mout= (3.15-0.200)·417.6 + 0.200·63.1 = 1244.54[kJ/s] h out= 1244.54/3.15 = 395.09[kJ/kg] A l"aide de cette valeur et du programmethermo_base, nous obtenonsTout=
94.3°C.
A l"entrée du dégazeur, nous avons un débit de3.15[kg/s]à une pression de
1[ba ].
La vapeur qui entre dans le dégazeur est à193°Cet8.5[ba s]. La température de sortie du dégazeur est de105°Cet la pression de1.5[ba ]. in_eau+ in_vap= out
395.09·3.15 + 2819.7·mvap= 440.2·( mvap+ 3.15)
mvap= 0.0597[kg/s] Le bilan sur la frontière rouge (cf. figure 2) nous donne :
Q=M(h2-h1)
Le flow sheet et le programme excel nous donnent les valeurs suivates :
M1= 3.1544[kg/s]
T1= 105°C)h1= 440.2[kJ/kg]
T2= 193°C)h2= 2834.4[kJ/kg]
Ce qui donne une puissance-chaleur
Q= 3.15(2834.4-440.2) = 7541.7[kW].
5
Fig.2 - Chaudière
2.3 Calcul de combustion
On suppose la combustion complète et sans excès d"air, on a donc= N AN
Ast= 1. On a les concentrations suivantes :
c
C= 0.857?kgCkg
F? c
H2= 0.131?kgH2kg
F? c
O2= 0.002?kgO2kg
F? c
S= 0.01?kgSkg
F?
Et les masses molaires suivantes :
~mC= 12.001?kgCkm C? ~mH2= 2.0159?kgH2km H2? ~mO= 31.8?kgOkm O? ~mS= 32.064?kgSkm S? A l"aide du tableau 11.3 du livre de Thermodynamique, on trouve MAst
MF=~mA0.21?
cFC~mC+ 0.5cFH2~mH2+cFS~mS+cFO2~mO2? 6
28.840.21?
0.85712.001+ 0.50.1312.0159+0.0132.064-0.00231.999?
= 14.215?kgAkg F?
2.4 Bilan énergétique de la chaudière au mazout
Nous avons fait les hypothèses suivantes :
- Combustion complète - Surenthalpie de l"air négligée - Surenthalpie du combustible négligée - Perte radiative 2%
MF·Δh
0i-MGcpGˆTG)·0.98 =Meau(hvap-heau)
2.5 Facture du combustible et de l"eau d"appoint
MG=MA+MF= 15.215·MF
Δh
0i= 32760·cFC+120000·(cFH
2-18 cFO
2)+9250·cFS-2445·98
cFo
2= 43912[kJ/kg]
c pG=? i[cicpi] = 608[J/kgK] (6.63)
MF= 0.182[kg/s]
LFO= 0.83[kg/ ]
Le coût annuel de LFO est :
86400·355·0.182/0.83 = 4707967.2[C /a ]
Le coût annuel d"eau d"appoint est :
0.268[ /s]·86400·355·0.07/1000 = 575.4[C /a ]
7
3 Facture du cycle de réfrigération
3.1 Calcul du débit d"eau glycoléeFig.3 - Cycle frigo
On fait le bilan sur le système délimité par les pointillés sur le cycle frigo. 0 = ?h c M+ Le flow sheet nous donne les valeurs suivantes pour les températures et dé- bits :M2=M1= 19.1[kg/s] M3=M4 T
1= 90°C
T
2= 5°C
T
3=-5°C
8 T
4=-1°C
On obtient le bilan suivant :
h
1M1+h3M3-h2M2-h4M4= 0
M1(h1-h2) +M3(h3-h4) = 0
Δh=cp·ΔT!h1-h2=cpBie e(T1-T2) = 3.91(90-5) = 332.35[kJ/kg] h
3-h4=cpeauglyc(T3-T4) = 4.33(-5 + 1) =-17.32[kJ/kg]
M3=-M1(h1-h2)(h3-h4)=-19.1·332.35-17.32= 366.5[kg/s] Le débit d"eau glycolée vaut donc366.5[kg/s].
3.2 Calcul de la puissance du compresseur
La puissance-travail du compresseur est donnée par
E-=M -avec
-=hcI-hcIVpour un compresseur calorifugé.
Il nous faut d"abord calculer le débit de NH
3. Pour ce faire, nous effectuons
un bilan d"énergie sur la frontière de la figure 4, autour de l"évaporateur.
Nous obtenons :Fig.4 - Evaporateur
D"où
MNH3=Meg·cpeg(Tin-Tout)eg(hout-hin)NH3= 366.5·4.33·(-1 + 5)(-67.42 + 1221.5)= 5.5[kg/s] Étonnamment, cette valeur s"avère être plus élevée que la valeur du flow- sheet. Nous utiliserons donc la valeur du flow-sheet dans les calculs suivants. 9
On effectue ensuite un bilan sur le compresseur.
La donnée nous fournit les informations suivantes :
TI=-7.693°C
TIV= 87°C
MNH3= 5.36524[kg/s]
cp
NH3= 2.1[kJ/kg]
On trouve
h cI-hcIV=cpNH3(TI-TIV) = 2.1(-7.693-87) =-198.85[kJ/kg] Le rendement isentrope du compresseur étant de 84.4%, on obtient +=198.850.84441= 235.49[kJ/kg]
La puissance vaut donc
E+=M += 5.36524·235.49 = 1263.46[kW]
3.3 Facture d"électricité
Le coût opératoire est
24·355·1263.5·0.136 = 1463996.37[C /a ]
10
4 Analyse énergétique et exergétique
4.1 Cycle de réfrigération
4.1.1 Bilan énergétique
Le but du cycle de réfrigération est de refroidir l"eau glycolée de -1°C à -5°C. Pour ce faire l"eau de refroidissement est réchauffée de 15°C à 45°C et une certaine puissance est fournie au compresseur.
L"efficacité est donnée par :
=?[E-] +?[Q-] +?[ -]? [E+] +?[Q+] +?[ +]= +eg+ -eau
E+comp
On notera que le terme
vanne= 0puisque d"après le cycle de NH3la trans- formation dans la vanne est isenthalpe.Fig.5 - Echangeur Eau-N 3 On écrit le bilan sur la frontière de la figure 5. -eau= +NH 3 = 2.1(360.15-298.05)5.36524 = 699.68[kW] Donc -eau= 699.68[kW]Pour l"eau glycolée on a (cf. figure 4) -eg=Megcpeg(Touteg-Tineg) = 366.5·4.33(268.15-272.15) =-6347.78[kW]
D"où
+eg= 6347.78[kW]
E+comp= 1263.46[kW]cf. point 2.2
11 Nous obtenons finalement l"efficacité suivante : ef ige ation= +eg+ -yeau
E+comp=6347.78 + 699.681263.46= 5.577 = 557.79%
Remarque : Des valeurs supérieures à 100% pour l"efficacité ne sont pas à priori fausses, il faut utiliser le rendement exergétique si l"on veut avoir une valeur inférieure à 100% qui tienne compte du niveau de température auquel est reçue une puissance et qui permette de caractériser la qualité thermodynamique du système.
4.1.2 Bilan exergétique
Le rendement exergétique est donné par :
η=?[E-] +?[E- ] +?[E-y]?
[E+] +?[E+ ] +?[E+y]=E-yeg+E+yeau
E+comp
Calculons d"abord l"exergie-transformation fournie par l"eau : (s2-s1)NH3=- ?P2NH3P 1NH3? +cpNH3 ?T2NH3T 1NH3? = 2.1 (298.05360.15) =-0.397[kJ/kgK] PuisqueP2NH3=P1NH3, le premier terme de la différence d"entropie est nul.
On a alors :
E-yeau= 5.36524(2.1(298.05-360.15)-298.15(-0.397)) =-63.91[kW]
D"où
E+yeau= 63.91[kW]La vanne n"intervenant pas, on calcule l"exergie-transformation de l"eau gly- colée :E-yeg=Meg[cpeg(T2eg-T1eg)-Ta(s2eg-s1eg)] s
2eg-s1eg=- ?P
2egP 1eg? +cpeg ?Tquotesdbs_dbs8.pdfusesText_14
Bilan énergétique, émissions gazeuses et particulaires de la