Travail de fin d'études et stage[BR]- Travail de fin d'études : Optimisation d'un ensemble de batteries de chauffage d'air et de l'instrumentation de régulation nécessaire[BR]- Stage d'insertion professionnelle

Abstract

Ce mémoire a été réalisé dans le cadre d'un stage effectué dans la société Henkens Frères SA, au sein du département Chaudronnerie. Ce département s'occupe de la conception, la fabrication et éventuellement de l'installation d'échangeurs de chaleur, d'équipement sous pression et de skids (divers éléments industriels assemblés et fixés sur un châssis). \\

Le procédé directement concerné par ce mémoire est le séchage dans l'industrie agroalimentaire, en particulier le séchage de lait pour la production de poudre de lait. Généralement, après avoir préséché le lait dans des évaporateurs, le lait concentré est acheminé vers une tour de séchage où plusieurs flux d'air chaud sont utilisés pour assécher davantage le lait et obtenir de la poudre de lait. Une des techniques employées pour générer des flux d'air chaud est l'utilisation de batteries de chauffage dont le fluide caloporteur est de la vapeur. \\

L'étude en régime stabilisé, sans accumulation de masse, d'un ensemble de 7 batteries de vapeur et de sous-refroidissement fonctionnant à une pression 25 bar pour le chauffage de 72000 kg/h d'air est effectuée dans ce mémoire. Ces batteries, assemblées verticalement en série sur l'air, ont été fournies par le fabricant Deca. L'objectif principal du travail est de mettre en avant des pistes pour expliquer la différence de 18°C entre la température de l'air mesurée en sortie des batteries et celle annoncée par le fournisseur des batteries. Le matériel de régulation nécessaire est discuté et des conseils sont donnés quant à l'exécution des travaux d'installation. \\

Un modèle complet des batteries avec des conditions d'entrée variables, tenant compte d'une désurchauffe humide et d'un sous-refroidissement possible, ou même d'une condensation partielle, au niveau des batteries de vapeur a été réalisé. Les coefficients d'échange thermique ainsi que les pertes de charge côtés intérieur et extérieur des batteries sont évalués. Le coefficient d'échange local intérieur dépend du régime d'écoulement du mélange diphasique pour la condensation de vapeur. Les pertes à l'ambiance en dehors des batteries et les pertes de charge (monophasiques) dans les conduites reliant les batteries entre elles sont également évoquées. \\

Un blocage d'air dans les batteries supérieures, ou tout court une mauvaise évacuation de l'air, peuvent expliquer un certain écart de température. Le manque d'isolation au niveau des gaines de ventilation donne lieu à des pertes à l'ambiance de l'ordre de 15 kW. Ceci est relativement faible mais est responsable d'un gradient de température important sur l'air à l'intérieur de la gaine (215°C-136°C). La mesure de température dans cette section non isolée peut donc être fortement influencée par cet effet. Ensuite, un certain écart de température est dû à l'équilibre thermique/hydraulique qui s'établit et qui limite la pression en amont des batteries et les débits pouvant circuler à travers celles-ci. \\

Malheureusement, les études actuelles ne permettent pas de déterminer avec précision les régimes d'écoulement diphasiques dans des conduites verticales descendantes sans une modélisation multiphysique complexe. Il serait pourtant judicieux de calculer les pertes de charge diphasiques entre la sortie des batteries et le pot à condensat. Finalement, des améliorations du système sont abordées pour un meilleur fonctionnement du système et des économies d'énergie potentielles.

This master's thesis has been carried out during an internship at Henkens Frères SA, within the metalwork department. This department deals with the conception, the manufacturing and possibly the installation of heat exchangers, pressure equipment and skids.

The processes directly concerned by this thesis are the drying processes in the agrifood industry, in particular dairy processing for the production of milk powder. Usually, after having been pre-dried in evaporators, condensed milk is conveyed to a spray dryer where several hot air flows are used to further dry the milk and obtain milk powder. A common technique to generate hot air flows is to use heating batteries with steam as heat-carrying fluid. \\

In this study, a steady state model of a series of seven steam condensing and subcooling batteries without mass accumulation, operating at 25 bar a, to heat 72000 kg/h of air has been developed. The vertically in series assembled batteries have been provided by the batteries manufacturer Deca. The main goal of this work is to lay out the possible reasons why the measured air temperature at the outlet of the batteries differs by 18°C from the batteries manufacturer's announced temperature. The required regulation instrumentation is discussed and advice is given as to the execution of the installation work. \\

A complete model of the batteries with varying inlet conditions, taking into account a wet-wall desuperheating and an eventual subcooling or even a partial condensation in the steam condensing batteries has been built. The batteries' internal and external heat exchange coefficients as well as pressure drops are evaluated. The local internal heat exchange coefficient depends on the condensation flow pattern there where condensation occurs. Heat losses to surroundings beside those from the batteries and the single phase pressure drops in the piping connecting the batteries are mentionned. \\

Air binding in the upper batteries, or simply the lack of a proper air venting, can explain a certain deviation in temperature. The absence of insulation on the air duct at the outlet of the batteries leads to 15 kW of losses to the surrounding. This is relatively few compared to the total heat exchange in the batteries. However, it is responsible for a large temperature gradient inside the air duct (215°C at the center to 136°C at the wall). Temperature measuring in this uninsulated section can be highly influenced by this effect. A last reason is the settled thermal and hydraulic equilibrium that limits the steam pressure and flow in the batteries. \\

Unfortunately, current studies do not cover with precision vertical downward flow patterns without the use of complex multiphysics modeling. It would however be judicious to calculate the two-phase pressure drops between the outlet of the batteries and the inlet of the condensate pot. Finally, improvements of the system for a better functionning and potential energy savings are discussed.