Tout d’abord, la chaleur de récupération, ou chaleur fatale, est de la chaleur générée lors d’un processus mais qui ne constitue pas la finalité première. La récupération de la chaleur fatale consiste en la réutilisation de cette énergie qui serait autrement dissipée dans l'atmosphère. En récupérant cette chaleur, il est possible de réduire les coûts énergétiques et les émissions de CO2 des usines.

Les techniques de récupération de la chaleur sont employées dans de nombreux objets de la vie quotidienne. Prenons l'exemple des voitures à moteur turbocompressé.

Dans un moteur à combustion sans turbocompresseur, les gaz brûlés sont expulsés à la fin du cycle. Ces gaz contiennent à la fois de la chaleur et de l'énergie cinétique. Dans un moteur à turbocompresseur, on utilise l’énergie cinétique des gaz d’échappement pour faire tourner la turbine qui entraine le compresseur. Le compresseur comprime l’air qui mélangé avec le carburant est admis dans la chambre de combustion du moteur. Le mélange comprimé permet d’augmenter le remplissage des cylindres et donc le rendement.

Dans la suite de cet article, nous étudierons des cas pratiques de récupération de la chaleur fatale dans l’industrie.

Économiseur

L’économiseur de chaudière, utilisé pour préchauffer l'eau, est un moyen simple de récupérer la chaleur. Ce type d’équipement est très courant dans l’industrie. Un économiseur est un échangeur conçu pour récupérer une partie de la chaleur dissipé avec les fumées de combustion d’une chaudière, et ainsi préchauffer l'eau d'alimentation. Selon le ministère américain de l'énergie, un économiseur permet d’augmenter le rendement d’une chaudière de 5 à 10 %.

Chaudière de récupération de chaleur

Selon un principe similaire à celui des économiseurs, les chaudières de récupération récupèrent la chaleur produite dans les fours ou les réacteurs industriels. Ce sont des gisements potentiels importants et facilement exploitables. La chaleur fatale dans ces procédés, peut être utilisée pour générer de la vapeur à basse ou moyenne pression. Un chaudière de récupération peut servir à refroidir un fluide de procédé avant son transport ou stockage et produire de la vapeur à partir de la chaleur récupérée. La vapeur produite dans l'installation peut être utilisée pour chauffer ou pour entraîner des turbines qui produisent de l'électricité, compriment des vapeurs ou pompent des liquides. Il est donc recommandé d'installer un séparateur et un purgeur pour améliorer la qualité de la vapeur générée.

Générateur de vapeur à récupération de chaleur

De nombreuses installations industrielles à haut rendement utilisent des systèmes de cogénération ou à cycle combiné avec turbine à gaz pour produire de l'électricité, puis de la vapeur à partir de la chaleur fatale en utilisant une chaudière de récupération. La présente section explique le fonctionnement de ce procédé.

Prenons l'exemple de la turbine à combustion. La turbine à combustion ou à gaz est alimentée au gaz naturel et rejette des gaz d'échappement extrêmement chauds. Alors, comment utiliser cette chaleur fatale ? Les gaz d'échappement sont injectés dans une chaudière de récupération qui va générer de la vapeur surchauffée qui entraîne une turbine à vapeur. La turbine peut entraîner un alternateur (système à cycle combiné). On peut aussi utiliser la vapeur dans des process (cogénération ou production combinée de chaleur et d'électricité). La chaudière peut avoir soit un seul ballon de vapeur (voir l'animation ci-dessous), soit plusieurs avec des pressions différentes. On fait circuler la vapeur saturée dans des tubes de surchauffe directement exposés aux fumées de combustion. La surchauffe va permettre à pression constante d’augmenter la température et donc le titre de la vapeur à 1. La vapeur surchauffée étant parfaitement sèche, on peut l’utiliser dans une turbine.

Réfrigérateur à absorption de gaz

Certains systèmes de cogénération peuvent produire du froid en employant un réfrigérateur à absorption de gaz.

Le principe de fonctionnement peut être décomposé en plusieurs étapes :

• Le fluide absorbeur dilué (60 % de bromure de lithium et 40 % d'eau) est préchauffé avec du condensât lorsqu'il passe de l'absorbeur au générateur.
• Dans le générateur, le fluide absorbeur est chauffé par la vapeur, ce qui provoque la vaporisation d'une partie de l'eau et augmente sa concentration.
• Le fluide absorbeur concentré s'écoule vers l'absorbeur pour capter plus d'eau dans le circuit. En même temps, la vapeur d’eau se déplace vers le condenseur.
• Dans le condenseur, l'eau de refroidissement provoque la condensation de la vapeur et s'écoule vers le bas en direction de l'évaporateur, ce qui provoque une chute de pression.
• Juste avant d'entrer dans l'évaporateur, l'eau condensée s'écoule par un orifice ou un détendeur. Cette restriction limite le débit et l'eau s'évapore à nouveau sous forme de brouillard froid à 4,5 °C. C'est là qu'a lieu la réfrigération. La vapeur à basse température extrait la chaleur de la boucle d'eau glacée, abaissant sa température d'environ 5 °C.
• Le brouillard est chauffé lorsqu'il absorbe la chaleur de la boucle d'eau réfrigérée, mais la forte attraction de la solution saline concentrée attire l'eau dans l'absorbant concentré dans l'absorbeur, créant ainsi une pression proche du vide dans l'évaporateur au cours du processus.

• Évaporateur : C'est ici que s'effectue la réfrigération proprement dite. L'eau passe par un détendeur , créant un brouillard à basse température. Vaporisé sur la boucle d'eau glacée, il absorbe la chaleur et refroidit le réfrigérant.
• Absorbeur : L'absorbeur concentré attire le brouillard d'eau de l'évaporateur, créant une pression proche du vide tout en diluant l'absorbeur.
• Générateur : L'absorbeur mélange 60/40% est chauffé, évaporant l'eau, l'absorbeur concentré (régénéré) retournant à l'absorbeur.
• Condenseur : La vapeur d'eau fournie par le générateur est condensée par transfert de chaleur à l'eau de refroidissement.

Thermocompression à la vapeur

La thermocompression ou éjecto-compression est une technique permettant de réutiliser de la vapeur basse pression. Il s'agit du processus de mélange de vapeur haute pression et basse pression pour créer une pression intermédiaire à l'aide d'un éjecto-compresseur tels que le système SC de TLV, qui est illustré ci-dessous.

Pour de plus amples informations, voir :

• Gammes de produits: Compresseur de vapeur

Séparation et recyclage de la vapeur de revaporisation

Chaque fois qu'il y a présence de vapeur de revaporisation, il faut examiner la possibilité de l'utiliser comme source de vapeur à basse pression.

Purge de chaudière

La chaleur provenant de la purge de chaudière peut être utilisée dans un réservoir tel que celui de la gamme SR de TLV pour préchauffer l'eau.

Chauffage de l'eau à la vapeur

La vapeur basse pression peut être utilisée pour produire de l'eau chaude à usage industriel ou interne. Si l'alimentation en vapeur générée à partir de chaleur fatale n'est pas continue, il est possible de lisser le débit avec un flux auxiliaire. Le skid de production d’eau chaude SteamAqua® de TLV en est un exemple typique. Pour une efficacité optimale, la gamme SteamAqua® dispose d’un système de préchauffage qui utilise la chaleur sensible du condensât pour préchauffer l'eau.

Pour de plus amples informations, voir :

• Skid de production d'eau chaude

Valorisation de la chaleur fatale

Cet article est loin d’être exhaustif. Il existe de nombreuses autres possibilités de récupération de chaleur dans les installations vapeur pour plus d'informations sur la récupération de la chaleur, n’hésitez pas à nous contacter.

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