Bases et principes généraux

Avant d’aller dans les détails quelques éléments de bases.

Calcul énergétique: deux grandeurs vont principalement vous servir.

1- L’énergie: c’est la consommation ou la production  d’un équipement sur une période donnée.

Pour éviter les problèmes de conversion , je vous conseille de convertir systématiquement en kilowatt heure (en  kWh)  1kWh= 1000 Wh.

C’est ce que vous allez également retrouver au niveau de vos factures.

Les autres unités les plus courantes: Joules, Calories

 L’énergie = Puissance  x  temps.

D’où un premier principe: s’intéresser aux équipements qui ont une puissance élevée et un temps de fonctionnement important.

 

2- La puissance: ce sera la capacité d’une machine à  délivrer ou consommer une quantité d’énergie par unité de temps.

Nous allons l’exprimer en kW qui  pourrait s’écrire kWh / h.

Donc la consommation d’une machine d’une puissance de 1 kW pendant 1h sera de 1kWh.

Cette puissance est calculée de plusieurs manières:

2.1 En électricité: en courant continu P (en W) = U (tension en Volt) x i (l’intensité en Ampère).

Sur du courant sinusoïdal triphasé équilibré: il faudra intégrer la notion de réactif et de puissance active: P= √3 x U x i x cos(φ) par défaut pour les calculs prenez un cos(φ)= 0,8

Dans le courant la partie active (la consommation) vient de la résistance du système. Une autre partie, l’induction, « appelle » du courant: il s’agit du réactif, il n’apporte pas de puissance et n’est pas facturé (sauf en hiver pour forcer les entreprises à le gérer) . Le réactif entraîne des pertes supplémentaires par effet Joules et oblige un surdimensionnement des transformateurs et câbles pour passer le courant. L’installation de condensateurs  permet de compenser ce glissement entre courant et tension dans l’autre sens. D’où l’intérêt d’installer les batteries de condensateur au plus près des points générant ce réactif.  Une autre solution  : éviter de faire tourner les moteurs à vide et les équipements surdimensionnés.

Dans les entreprises, l’électronique de puissance (variateurs, …) ajoute un autre problème: les harmoniques. Les variateurs sont une bonne solution pour réduire les consommations mais pas forcément la solution idéale. Les variateurs doivent être utilisés lorsque la vitesse varie ou  lorsque des pentes de démarrage ou d’arrêt sont nécessaires pour les besoins du système. Installer un variateur sur une installation surdimensionnée pour réduire la vitesse permet de faire des économies d’énergie. Mais ne serait-il pas plus judicieux de dimensionner correctement l’installation?  (moins coûteux à l’achat, sans compter le prix du variateur).

2.2 En combustion: votre combustible a un pouvoir calorifique (exprimé en kWh/Nm3 ou en kWh/kg)

Le brûleur va avoir un débit et le corps de la chaudière une capacité à transmettre cette chaleur.

Formule de calcul énergétique pour un combustible:

P (en kW) = Débit (en Nm3/h) x pouvoir calorifique du combustible (en kWh/Nm3).

Votre installation a un rendement de combustion:

  • à votre combustible, vous ajoutez de l’air pour la combustion. Cet air devra être légèrement en excès pour obtenir une combustion complète du carburant et donc, éviter l’apparition de CO ou des dépôts de carbone. La flamme étant plus froide, les oxydes d’azote seront également moins présents. Mais, cet excès d’air va être chauffé et renvoyé à l’atmosphère. Par conséquent, cette énergie perdue va dégrader le rendement.
  • La qualité et l’état du corps de chauffe ainsi que la température du fluide chauffé permettront également de réduire la température des fumées. Ils seront des facteurs importants qui détermineront également votre rendement de combustion.

Une installation de combustion (sans condenseur) a un rendement de combustion souvent proche des 90%.

Il faut ajouter cette perte lorsque vous valorisez la consommation d’un équipement dans le process.

Remarques:
  • Donc si vous souhaitez garder sous contrôle le rendement de votre installation de combustion, les deux paramètres à surveiller seront le % O2 et la température des fumées.
  • Pour les installations de production de vapeur, le taux de purge conditionné par la qualité de l’eau et la concentration visée impactera également le rendement.
  • Différence entre les pouvoirs calorifiques inférieurs (PCI)  et supérieurs (PCS):  par exemple, la combustion du  CH4 produit du C02 et H2O (de l’eau). L’écart entre le PCI et le PCS correspond à l’énergie récupérable en condensant cette eau. Cela n’est pas négligeable: 11% d’énergie en plus pour le gaz nat. La température des fumées devra être descendue à une température inférieure à 55°c (point de rosée).

2.3. Les installations frigorifiques:

Le cycle frigorifique et son exploitation sur un diagramme enthalpique mérite un chapitre spécifique: Le cycle frigorifique.

 

cycle frigorifique sur diagramme enthalpique mollier - calcul énergetique

Votre installation a un coefficient de performance (COP):  COP réel = la puissance frigorifique au niveau de l’évaporateur / puissance moteur.

Par exemple: pour un COP réel =4.  Pour une puissance moteur de 10kW vous aurez 40 kW de puissance frigorifique à l’évaporateur.

Et du côté condenseur: avec un rendement mécanique de 80% : 48 kW qui seront évacués et perdus au niveau chaleur.

Les points de surveillance:
  • la consommation électrique (condenseurs compris), les pressions d’aspiration et refoulement.
  • si l’installation est équipée de TAR avec dispersion d’eau dans le flux d’air, le taux de purge.

La qualité de l’eau est très importante: risque d’entartrage, de corrosion, de surconsommation  et  risque légionnelle (les tours sont des « laveurs » d’air et « ramassent » tous les éléments en suspension).

Un outil qui va être détaillé dans les prochaines pages:

3. Le bilan thermique:

Le bilan thermique est un outil qui va permettre de mieux comprendre ce qui se passe dans des réseaux et au niveau des points de consommation.

Pour faire un bilan, il faut définir:

  • un système (équipement, regroupement de machines, atelier, une tuyauterie, …) en définissant ses « frontières ».
  • la période que l’on souhaite étudier (phase de démarrage ou d’arrêt, un cycle, en régime établi, la journée, la semaine, le mois,  l’année, …).

Remarques:

  • en jouant sur la période, vous pouvez vous affranchir de certaines variables parce qu’elles seront égales à 0 ou fixes.
  • pour une même installation, effectuer un calcul énergétique sur différentes périodes permet également de vérifier la fiabilité des mesures et modèles de calcul.

 

Le choix est effectué en fonction de questions qu’il faut se poser:

  • quelles sont les informations recherchées ?
  • quelles sont les informations déjà accessibles et exploitables ?
  • et où sera-t-il possible de faire des mesures complémentaires ?

 

Après, l’objectif est simple:

  • identifier tout ce qui passe la « frontière »: entrant et sortant,
  • définir la variation énergétique du système entre le début et la fin de la période.

 

Quels sont les éléments passant cette frontière (flux thermiques):

– le /les produits,

– les fluides:

  • flux d’air entrant et sortant (entrées d’air, cheminées, pertes liées aux problèmes d’étanchéité),
  • dans les tuyauteries
  • dans les descentes au caniveau

– les pertes thermiques:

  • conduction (l’énergie à travers les différentes couches de matériaux)
  • convection (l’énergie échangée entre un fluide en mouvement (air par ex.) et un solide)
  • rayonnement (un corps chaud émet un rayonnement infra-rouge qui va également dissiper la chaleur).

– alimentation électrique (l’énergie va se dissiper sous forme de chaleur)

– les combustibles

 

Dans les prochaines pages vous trouverez des outils permettant de calculer ou quantifier ces différents éléments.

 

La suite: Calcul énergétique sur les fluides – flux thermique              Retour:  Page d’accueil

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