Dimensionnement
Désurchauffage industriel

Dimensionnement du désurchauffage industriel

Le dimensionnement d’un système de désurchauffage industriel est une étape critique qui détermine le succès de votre projet de récupération de chaleur. Un surdimensionnement entraîne un surcoût inutile, tandis qu’un sous-dimensionnement réduit l’efficacité de la récupération.

Principes fondamentaux du dimensionnement

Bilan thermique d’un système de désurchauffage

Le dimensionnement repose sur l’équilibre thermique entre le fluide chaud (source) et le fluide froid (utilisation) :

Formule fondamentale :

Q = m × Cp × ΔT

Où :

• Q = Flux thermique (kW)
• m = Débit massique (kg/s)
• Cp = Capacité calorifique (kJ/kg·K)
• ΔT = Différence de température (K ou °C)

Pour un échangeur :

P = K × S × ΔTm

Où :

• P = Puissance échangée (kW)
• K = Coefficient global d’échange (kW/m²·K)
• S = Surface d’échange (m²)
• ΔTm = Écart de température logarithmique moyen (K)

Méthodologie en 5 étapes

Notre approche de dimensionnement suit une méthodologie éprouvée.

Étape 1 : Collecte des données process

Données source de chaleur (fluide chaud)

Données utilisation (fluide froid)

Données contraintes

Étape 2 : Calcul du potentiel de récupération

Calcul de la puissance thermique disponible

Formule :

P_dispo = m_hot × Cp_hot × (T_hot_in - T_hot_out)

Exemple : Tour de refroidissement laitière

• Débit eau chaude : 120 000 kg/h = 33,3 kg/s
• Température entrée : 42°C
• Température sortie souhaitée : 22°C
• Cp eau : 4,18 kJ/kg·K

P_dispo = 33,3 × 4,18 × (42 - 22) = 2 784 kW

Calcul du besoin thermique

Formule :

P_besoin = m_cold × Cp_cold × (T_cold_out - T_cold_in)

Exemple : Préchauffage eau alimentaire chaudière

• Débit eau : 8 000 kg/h = 2,2 kg/s
• Température entrée : 15°C
• Température sortie souhaitée : 85°C
• Cp eau : 4,18 kJ/kg·K

P_besoin = 2,2 × 4,18 × (85 - 15) = 644 kW

Détermination de la puissance échangeable

La puissance réelle échangeable est la plus faible des deux :

P_echangeable = min(P_dispo, P_besoin)

Dans notre exemple :

P_echangeable = min(2 784, 644) = 644 kW

Conclusion : Le besoin est le facteur limitant. Nous pourrions récupérer plus si nous avions un usage pour cette chaleur supplémentaire.

Étape 3 : Calcul de l’écart de température moyen

Écart de température logarithmique moyen (DTLM)

Le DTLM est utilisé pour le dimensionnement de la surface d’échange :

Contre-courant :

ΔT1 = T_hot_in - T_cold_out ΔT2 = T_hot_out - T_cold_in

ΔTm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

Écart de température pincement (Pinch)

Le pincement est l’écart minimum de température entre les deux fluides dans l’échangeur. Il détermine la surface d’échange nécessaire :

Règle : Plus le pinch est faible, plus la surface d’échange est grande (et plus l’investissement est élevé).

Étape 4 : Calcul de la surface d’échange

Formule de base

S = P_echangeable / (K × ΔTm)

Où K est le coefficient global d’échange (kW/m²·K)

Coefficient global d’échange (K)

Le coefficient K dépend de la technologie, des fluides et de leur régime d’écoulement :

Valeurs typiques pour le désurchauffage industriel :

• Eau/eau (propre) : 3-5 kW/m²·K
• Eau/eau (chargée) : 1-2 kW/m²·K
• Eau/huile thermique : 0,5-1 kW/m²·K
• Air/eau : 0,05-0,1 kW/m²·K

Calcul de la surface

Exemple :

• P_echangeable = 450 kW
• K = 3 kW/m²·K (échangeur à plaques, eau/eau)
• ΔTm = 5,4°C

S = 450 / (3 × 5,4) = 27,8 m²

Marge de sécurité : +15% pour encrassement et pertes de charge

S_finale = 27,8 × 1,15 = 32 m²

Étape 5 : Vérification des pertes de charge

Calcul des pertes de charge

Les pertes de charge (ΔP) doivent être vérifiées pour les deux circuits :

ΔP = f × (L/D) × (ρ × v² / 2)

Où :

• f = Facteur de friction
• L = Longueur du circuit (m)
• D = Diamètre hydraulique (m)
• ρ = Masse volumique (kg/m³)
• v = Vitesse du fluide (m/s)

Pertes de charge admissibles :

• Côté fluide chaud : 10-50 mbar
• Côté fluide froid : 20-100 mbar
• Maximum : 150 mbar

Dimensionnement du stockage tampon

Volume de stockage nécessaire

Le stockage tampon permet de lisser les appels de chaleur et de maximiser la récupération :

V_stockage = P_max × t_autonomie / (ρ × Cp × ΔT_stock)

Où :

• P_max = Puissance maximale à stocker (kW)
• t_autonomie = Temps d’autonomie souhaité (h)
• ΔT_stock = Écart de température de stockage (K)

Exemple :

• P_max = 450 kW
• t_autonomie = 2 h
• ΔT_stock = 60°C (stockage 90°C → 30°C)
• ρ = 1 000 kg/m³ (eau)
• Cp = 4,18 kJ/kg·K

V_stockage = 450 × 2 / (1 000 × 0,00418 × 60) = 3,6 m³

Recommandation : 5 000 litres (marge +40%)

Dimensionnement de la pompe de circulation

Débit de pompage

Q_pompe = P_echangeable / (ρ × Cp × ΔT_pompe)

Où ΔT_pompe est l’écart de température souhaité sur le circuit (généralement 5-10°C)

Exemple (côté secondaire) :

• P_echangeable = 450 kW
• ΔT_pompe = 10°C
• ρ = 1 000 kg/m³
• Cp = 4,18 kJ/kg·K

Q_pompe = 450 / (1 000 × 0,00418 × 10) = 10,8 m³/h

Hauteur manométrique

HMT = ΔP_échangeur + ΔP_pertes_linéaires + ΔP_stockage + ΔP_altitude

Exemple :

• ΔP_échangeur = 40 mbar = 0,4 mCE
• ΔP_pertes_linéaires = 60 mbar = 0,6 mCE
• ΔP_stockage = 10 mbar = 0,1 mCE
• ΔP_altitude = 3 mCE
• HMT = 4,1 mCE

Recommandation : Pompe 0,37 kW avec variateur de vitesse

Exemples de dimensionnement complets

Exemple 1 : Tour de refroidissement agroalimentaire

Données :

• Tour : 120 m³/h, 42°C → 22°C
• Besoin : ECS 2 m³/h, 15°C → 55°C
• Fonctionnement : 6 000 h/an

Investissement : 12 000 € | Prime CEE : 6 500 € | ROI : 5 mois

Exemple 2 : Récupération chaleur condenseur vapeur

Données :

• Condenseur : 2 500 kg/h vapeur 120°C → condensat 90°C
• Préchauffage eau chaudière : 8 000 kg/h, 15°C → 85°C
• Fonctionnement : 4 500 h/an

Investissement : 45 000 € | Prime CEE : 12 000 € | ROI : 3 mois

Exemple 3 : Récupération chaleur compresseur industriel

Données :

• Compresseur : 315 kW électrique, 80% chaleur rejetée
• Huile : 45 m³/h, 75°C → 55°C
• Eau chauffage : 3 000 kg/h, 15°C → 60°C
• Fonctionnement : 3 000 h/an

Investissement : 18 000 € | Prime CEE : 7 200 € | ROI : 5 mois

Erreurs à éviter

Notre méthodologie de dimensionnement

Phase 1 : Audit terrain (1-3 jours)

• Mesure des températures, débits
• Analyse des contraintes
• Collecte des données process

Phase 2 : Dimensionnement (1 semaine)

• Calculs thermiques détaillés
• Simulation de scénarios
• Comparaison de technologies

Phase 3 : Validation (1 semaine)

• Revue avec votre équipe technique
• Ajustement selon contraintes
• Validation budget et ROI

Phase 4 : Spécifications (1 semaine)

• Cahier des charges détaillé
• Spécifications techniques
• Planning installation

Phase 5 : Accompagnement (durée projet)

• Assistance choix fournisseurs
• Supervision installation
• Mise en service et réglages

Garanties sur le dimensionnement

Nous nous engageons sur :

• Réalisation des économies calculées
• Conformité aux spécifications
• Assistance post-installation

Le surdimensionnement est à notre frais. Le sous-dimensionnement est corrigé sans frais supplémentaires.