Vote d’Intérêt des adhérents – Actions 2024 du GRETh

Du fait du contexte actuel d’un point de vue énergétique, environnemental et économique, l’hydrogène est apparu « récemment » comme une solution pour décarboner le monde du transport et de la production d’énergie. L’hydrogène apparaît également comme une solution future et prometteuse dans le cadre du stockage d’énergie (électrique ou thermique). On oublie aussi parfois que l’hydrogène est un composé très important dans l’industrie, par exemple pour la production d’ammoniac (ex : engrais, explosifs, chimie organique), dans l’industrie chimique (ex : production du méthanol, etc.), dans les opérations de raffinages du pétrole ou encore dans l’industrie spatial notamment pour la propulsion des engins spatiaux. On note cependant, qu’en 2022, plus de 80 % de l’hydrogène est produit directement à partir d’énergies fossiles, les moins de 20 % restants étant des sous-produits de réactions chimiques (reformage du naphta) dans les raffineries [Global Hydrogen Review 2023, IEA, Sept.2023]. Les nouvelles utilisations dans les domaines des transports et de l’énergie (ex : pile à combustible, système de ravitaillement associé, aciérie, etc.) restent encore marginales car les technologies existantes ne sont pas encore matures, malgré une demande qui ne cesse de croitre.

De la production d’hydrogène par différent moyens (Hydrogène gris (principalement par vaporeformage), Hydrogène bleu (i.e. hydrogène gris incluant des techniques de captation du CO2 lors de la réaction de vaporeformage), Hydrogène vert (gazéification de la biomasse ou électrolyse de l’eau), hydrogène jaune (électrolyse via énergie nucléaire)), à son utilisation, en passant par diverses étapes intermédiaires (transport, stockage, distribution, etc.), les échangeurs de chaleur sont des composants, d’une part omniprésents sur l’ensemble de la chaine du vecteur Hydrogène, et d’autre part excessivement importants dans le contexte de la maîtrise des échanges thermiques dans les procédés pour accroitre et optimiser les rendements ainsi que réduire la taille et le coût des équipements, notamment pour répondre aux nouveaux enjeux mondiaux dans le secteur de l’énergie.

Le GRETh se propose ainsi de rédiger un rapport sur le sujet Hydrogène en se focalisant plus particulièrement sur les échangeurs de chaleur, leurs places et rôles, les technologies existantes et/ou en développement pour répondre aux enjeux actuels et futurs dans les procédés impliquant l’hydrogène.

Les enjeux énergétiques existants depuis plus d’une dizaine d’années, qu’ils soient d’ordres environnementaux ou économiques, accrus par la situation actuelle (géopolitique, économique, réglementaire & environnementale), permettent aujourd’hui de faire réémerger l’intérêt majeur des systèmes de conversion d’énergie, que ce soit dans le cadre de la valorisation de chaleur fatale, ou dans le cadre de la production de chaud ou de froid à l’aide d’électricité, en surplus ou non. Ces systèmes sont par exemple le cycle organique de Rankine (ORC), le cycle Stirling, le cycle de Brayton inversé, le cycle à absorption, etc. L’efficacité de ces cycles dépend, entre autres et au-delà des aspects de conditions de fonctionnement, de l’efficience des équipements qui les composent, tels que les compresseurs, les turbines, évaporateurs, condenseurs, absorbeurs…. Dans ces systèmes, les échangeurs de chaleur ont donc une place primordiale.

Le GRETh propose ainsi de réaliser une revue synthétique des principaux systèmes existants incluant des descriptions des cycles associés à ces fonctions (Power-to-Heat / Heat-to-Power), les gammes d’usages, cibles et besoins de ces cycles, une description succincte des technologies des composants associés à ces cycles (autres que les échangeurs), un état de l’offre du marché actuel et des solutions en développement. Bien évidemment, le GRETh fera un focus important sur la place des échangeurs dans ces systèmes incluant les descriptions technologiques des échangeurs utilisés ou en voie d’utilisation, les enjeux performanciels, les méthodes de conception et de design associées notamment dans le cadre de la recherche de pincements toujours plus faibles sur ces échangeurs, afin d’améliorer l’efficacité des cycles.

Les modules d’EchTherm concernant les échangeurs air/liquide (fonctionnant avec des gaz à pressions atmosphériques (air ou encore fumées)) sont utilisés par un nombre conséquent d’adhérents du GRETh. Dans le cadre de la validation des résultats de calculs d’EchTherm, et après avoir testé par le passé un échangeur à tubes et calandre et un échangeur à plaques et joints en eau / eau, il serait intéressant de pouvoir vérifier les résultats d’EchTherm dans le cadre de ces technologies très utilisées dans les process et dans EchTherm. A ce titre, on propose de choisir entre deux technologies :

- Technologie n°1 - Echangeur à tubes et ailettes continues : Technologie omniprésente dans l’industrie, elle est composée de tubes munis d’ailettes continues. Cette technologie est largement utilisée dans diverses applications allant des milieux industriels exigeants (chauffage ou refroidissement d’air) aux applications usuelles en industrie/tertiaire (aéroréfrigérant, dissipation thermique) ou dans les domaines du CVC (batterie de climatisation, CTA). Tout comme les échangeurs préalablement testés par le GRETh, il s’agit d’un échangeur que l’on pourrait qualifier de « dénominateur commun » dans de nombreux systèmes thermiques.

Les modules d’EchTherm concernant les échangeurs air/liquide (fonctionnant avec des gaz à pressions atmosphériques (air ou encore fumées)) sont utilisés par un nombre conséquent d’adhérents du GRETh. Dans le cadre de la validation des résultats de calculs d’EchTherm, et après avoir testé par le passé un échangeur à tubes et calandre et un échangeur à plaques et joints en eau / eau, il serait intéressant de pouvoir vérifier les résultats d’EchTherm dans le cadre de ces technologies très utilisées dans les process et dans EchTherm. A ce titre, on propose de choisir entre deux technologies :

- Technologie n°2 - Echangeur à micro-canaux pour application monophasique : Il s’agit de batteries à micro-canaux à ailettes (généralement ailettes à persiennes) entièrement en aluminium. Une technologie plutôt habituellement utilisée et bien éprouvée en condensation, mais pour laquelle de nombreux produits sont depuis peu proposés en simple phase pour des applications de refroidissement ou chauffage de liquide. Ils admettent des avantages, notamment par rapport aux solutions concurrentes de batteries à ailettes classiques, tels que la réduction de poids, d’encombrement mais également la réduction (à iso thermique) des pertes de charge, et donc in fine des consommations des auxiliaires (ventilateurs). Les tests expérimentaux permettront de comparer des résultats de performances des dits échangeurs avec le module de simulation/dimensionnement d’ores et déjà présent dans EchTherm.

Les échangeurs à plaques brasées sont omniprésents dans de nombreux systèmes thermiques : groupe de production de froid, applications industrielles diverses de chauffage ou de refroidissement de liquide, data centers, système de climatisation/PAC, chaudière à gaz, application d’Eau Chaude Sanitaire (ECS), sous station d’installation de chauffage urbain, séparateur de réseaux, etc.

A travers cette campagne de tests expérimentaux, le GRETh souhaite, non pas produire de la corrélation stricto sensu, mais caractériser les performances de tels échangeurs notamment lors d’application de froid en évaporation et condensation d’un fluide frigorigène et in fine en chauffage et refroidissement d’eau (ou eau glycolée). La comparaison avec des résultats de simulation/dimensionnement sous EchTherm permettra de conforter les adhérents quant aux résultats issus de EchTherm avec des résultats expérimentaux. Pourront être adjoint à cette campagne d’essais des analyses par thermographie infra-rouge afin d’identifier d’éventuels biais de distribution ou non.

Les plaques froides sont des dispositifs d’échange thermique fréquemment utilisés dans le cadre de la gestion thermique de divers composants et dans diverses applications telles que : refroidissement de composants électroniques, gestion thermique des batteries (applications de véhicule électrique), refroidissement de data center, gestion thermique d’équipements spécifiques tels que des lasers, le refroidissement de systèmes médicaux, etc.

Les plaques froides sont généralement constituées, comme son nom l’indique, d’une plaque (généralement métallique) dans laquelle est usinée ou adjoint en son sein un circuit dans lequel circule un liquide. Les fluides usuellement utilisés sont l’eau et l’eau glycolée, mais on peut également trouver des applications avec des fluides spécifiques (fluide diélectrique, huile, etc.).

Le GRETh propose ainsi d’intégrer dans EchTherm un outil de pré-design simplifié de ces plaques froides.

La modélisation des transferts thermiques et des pertes de charge à l’extérieur (côté calandre) des faisceaux d’échangeurs à tubes et calandre est relativement bien connue, notamment quand il s’agit de calandre de type E (simple passe) munie de chicanes à simple segmentation. En effet, différentes méthodes existent dans la littérature et le GRETh utilise notamment la méthode dite de Bell-Delaware, méthode connue et reconnue, pour calculer le coefficient d’échange et les pertes de charge des écoulements circulant dans de tels échangeurs. Cette méthode permet de calculer le coefficient d'échange et la perte de charge à l’extérieur du faisceau d'un échangeur de type tubes et calandre et s'appuie sur l'étude d'échangeurs réels présentant toutes les imperfections liées aux dispersions mécaniques des pièces en présence (calandre, chicanes, tubes) ainsi qu'à leurs jeux fonctionnels de montage. Cependant, cette méthode s’applique uniquement dans le cadre de calandre de type E avec des chicanes à simples segmentation.

Une calandre de type TEMA F est une calandre qui implique une double passe côté calandre via la mise en place d’une chicane longitudinale : couplée à un faisceau tubulaire en U, cette configuration permet ainsi de créer un échangeur à tubes et calandre à 2 passes côté tubes et 2 passes côté calandre, et in fine des écoulements à contre-courants pour chacune des passes (tandis que le couplage d’une double passe côté tubes avec une calandre à simple passe type E permet un écoulement à contre-courant pour une des deux passes et à co-courant pour l’autre passe, réduisant ainsi l’efficacité du transfert de chaleur). Il s’agit donc d’une configuration induisant une meilleure compacité de l’échangeur.

Le GRETh propose ainsi d’intégrer dans l’outil EchTherm un outil de dimensionnement dédié à ce type de calandre et ses spécificités.