Etude D'un Échangeur À Plaque Au Niveau de La Cogénération de Cevital PDF [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire

Université Abderrahmane MIRA de Bejaia. Faculté de technologie Département : Electrotechnique Spécialité : 2éme Année Master « électromécanique »

Mémoire de Fin d’Etudes pour l’obtention du Diplôme Master 2 en électromécanique

THEME

Etude d’un échangeur à plaque au niveau de la cogénération de cevital

Réalisé par : Mr : KERKAR

Encadré par : fahim

Mr : MEBARKI

youcef

Mr : SIMEZIANE khaled

2012

Je dédie ce modeste travail : 

A mon cher père, à ma très chère mère ;



Qu’ils trouvent ici un témoignage de toute ma reconnaissance et mon affection. 

A tout ceux qui portent le nom kerkar, surtout mon cousin Moussa et sa

famille, à mon oncle Ali et sa famille, 



A la mémoire de mes grands parents,



A mes frères : Arezki et yanis pour leurs aide et encouragements et à mes sœurs : Samira, Hanane à qui je souhaite le succès dans leurs études,





A tous mes amis, surtout Salim pour les moments de joie au lycée, ainsi qu’à toute ma classe de terminale sans exception, à mes amis d’enfance : nacer et Khaled, à mes amis à Targa





Sans oublier tous mes enseignants qui ont contribué à ma formation, depuis le primaire à ce jour, en particulier mon premier enseignant : Khaled, Youcef.





A l’ensemble des étudiants de ma promotion, particulièrement ceux de Génie Électrique.





Enfin, à tous ceux que j’aime, et qui m’aiment.



Fahim

Je remercie DIEU tout puissant qui m’a donné le courage, la force et la volonté pour réaliser ce modeste travail. Mes sincères remerciements à mon promoteur Monsieur MEBARKI youcef, pour m’avoir conseillé, dirigé pendant la réalisation de ce travail. Mes remerciements vont également aux enseignants du département de génie électrique pour avoir contribué à ma formation master 2. A la même occasion, je remercie vivement tous ceux qui ont participé au bon déroulement de mon stage par leur soutiens et leurs conseilles, en particulier : Monsieur M.ARKOUK, Monsieur M. SIMEZIANE. Je tiens à saluer, à travers ce modeste travail tous mes amis et mes camarades de la promotion 2012, et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la bonne réalisation de ce travail.

FAHIM

Résumé La cherté et la demande d’énergie ne cessent de constituer un souci majeur pour l’homme en plus des problèmes écologiques qui menacent la vie sur la planète. Dans ce mémoire, nous avons étudié les performances thermoénergétiques d’un échangeur de chaleur à plaques et joints qui est très utilisé pour le refroidissement des fluides géothermiques afin de produire de l’électricité. L’objectif de cette étude consiste à dimensionner l’échangeur de chaleur à plaques et joints par deux méthodes de calcul, la première avec spécification de la chute de pression et la deuxième sans spécification de la chute de pression pour vérifier les conditions opératoires (la puissance, la surface d’échange et les pertes de charge). Summary The high cost and energy demand continue to be a major concern for humans in addition to the environmental problems that threaten life on the planet. In this brief, we studied the thermal energy performance of a heat exchanger plates and gaskets, which is widely used for cooling the geothermal fluids in order to produce the electricity. The objective of this study is to size the heat exchanger plate and joined by two methods of calculation, with the first specification of the pressure drop and the second without specification of the pressure drop to check the operating conditions (power, the exchange surface and losses).

Liste des figures Figure. I.1 : situation géographique et plan de masse. ..................................................................... 4 Figure. I.2 : Organigramme du complexe cevital. ............................................................................ 6 Figure. I.3 : Organisation de la direction énergie et utilité. ............................................................ 7 Figure. II.1 : Installation à contre pression ................................................................................... 17 Figure. II.2 : Installation avec soutirage ........................................................................................ 17 Figure. III.1 : Principe de fonctionnement de site de Kapp ..................................................... 21 Figure. III.2 : schéma d’implantation............................................................................................... 22 Figure. IV.1 : Plaque à canal large ................................................................................................... 28 Figure. IV.2 : Plaque à double paroi [6]. ......................................................................................... 28 Figure. IV.3 : Plaque semi-soudée [6].............................................................................................. 29 Figure. IV.4 : écoulement d’une plaque [7]. ................................................................................... 29 Figure. IV.5 : l’auto centrage dans une plaque [7] ......................................................................... 30 Figure. IV.6 : Le joint sans colle [7] ................................................................................................... 30 Figure. IV.7 : Principe de fonctionnement d’un échangeur à plaques FUNKE [6]. ........................ 32 Figure. IV.8 : Les composantes d’un échangeur à plaque. ................................................................. 33 Figure. IV.9 : Circulation en multi-passes ou pour d'autres options.............................................. 34 Figure. IV.10 : Condenseur à plaques ............................................................................................ 34 Figure. IV.11 : Évaporateur à plaques ............................................................................................. 35 Figure. IV.12 : Matériau des plaques .............................................................................................. 36 Figure. IV.13 : La circulation des fluides latérale .......................................................................... 37 Figure. IV.14 : La circulation des fluides diagonale ..................................................................... 37 Figure. IV.15 : Assemblage des plaques [11] ................................................................................... 40 Figure. IV.16 : Evolution qualitative des températures dans un échangeur tubulaire Cocourant ................................................................................................................................................. 42 Figure. IV.17 : Evolution qualitative des températures dans un échangeur tubulaire ou à Plaques à contre-courants......................................................................................................... 43 Figure. IV.18 : Schéma d'un échangeur à tubes en U .................................................................... 44 Figure. IV.19 : Schéma d'un échangeur tubulaire .......................................................................... 45 Figure. IV.20: Schéma d’un échangeur à faisceaux tubulaire ...................................................... 46 Figure. IV.21: Schéma d'un échangeur à spirale ............................................................................ 46 Figure. IV.22: Schéma d'un échangeur à plaques ......................................................................... 47 i

Figure. V.1 : La Différence de température Moyenne logarithmique (DTLM) ....................... 50 Figure. V.2 : Valeurs typiques de la vitesse massique en fonction de la pression de Fonctionnement ................................................................................................................................... 53 Figure. V.3 : types de plaques ........................................................................................................... 54 Figure. V.4 : Répresentation schématique du procédé de déssalement par osmose .................. 55 Figure. V.5 : schéma d’une boucle de régulation ................................................................................ 61 Figure. V.6 : La boucle de régulation autonome d’une vanne.................................................... 61 Figure. V.7 :Régulateur de température ............................................................................................ 62 Figure. V.8 :Régulateur de pression ................................................................................................. 62 Figure. V.9 :Régulateur de débit....................................................................................................... 62 Figure. V.10 :Stockage d’eau chaude .............................................................................................. 63 Figure. V.11 : détendeur de vapeur .................................................................................................. 63 Figure. V.12 : évapo-condenseur utilisés à Cevital ........................................................................ 64 Figure. V.13 : Le GRAFCET de la cogénération du process (Eau-Vapeur). ............................. 69

i

Liste des tableaux Tableau I.1 : Bilan de puissance du complexe cevital ................................................................... 10 Tableau IV.1 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur à tubes en U .............. 44 Tableau IV.2 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur tubulaire .................... 45 Tableau IV.3 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur à faisceaux tubulaire . Verticale ...................................................................................................................... 46 Tableau IV.4 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un Echangeur à spirales ................... 47 Tableau IV.5 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un Echangeur à plaques. .................. 48 Tableau V.1 : Propriétés des fluides à l’entrée et à la sortie de l’échangeur à plaque. ............ 50 Tableau V.2 : dimensions [mm] de l’échangeur à plaque initial. ................................................ 50 Tableau V.3 : les différent résultat obtenu a partir d’un programme matlab ............................. 54 Tableau V.4 : Les valeurs des masses volumiques de Eau osmose et de Eau ultra pure. ......... 56

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Nomenclature A: surface d’échange pour les échanges de chaleur...…………………….…… [m2] CP: chaleur spécifique Vapeur……………………………..…….……. [kg/k.mole] CP’: chaleur spécifique Eau…………….…………………..………….. [kg/k.mole] L: langueur de l’échangeur……………………………………………………… [m] M: débit massique de l’Eau………………………………………………….... [kg/h] M’: débit massique de la Vapeur………………………………..…………….. [kg/h] N: nombre d’échangeur…………………………………………………………… [/] U: coefficient d’échange global………………………………….……..… [W/m2.K] Q: la chaleur à transférée……………………………………………………...…. [W] ΔT: Différence de températures …………………………………………………. [K] DTLM: différence de température moyenne logarithmique……………………… [/] Tce: température d'entrée du côté chaud…………………………………………. [K] Tcs: température de sortie du côté chaud………………………………………… [K] Tfe: température d'entrée du côté froid…………………………………………… [K] Tfs: température de sortie du côté froid………………………………..…………. [K] W : largeur de l’échangeur……………………………………………….……… [m] ρ: masse volumique…………………………………………….…………… [kg/m3] ρm: masse volumique moyenne…………………………………………….. [kg/m3] ηth: L’efficacité thermique…………………………………………….………….. (%) Qréelle : La quantité de chaleur réelle échangée …………………………………… (w) Qmax : La quantité de chaleur max échangée ……………………………………... (w) mc : Le débit massique du fluide chaud ………………………………………… (Kg/s) Cpc : Le débit massique du fluide froid……………………………………. (J/ (Kg. K)) Tce : Température d’entrée du fluide chaud……………………………………….. (°C) Tcs : Température de sortie du fluide chaud……………………………………….. (°C) Tfe : Température d‘entrée du fluide froid …………………………………………. (°C) Tfs : Température de sortie du fluide froid ………………………………………… (°C) mf : Le débit massique du fluide froid …………………………………………... (Kg/s) Cpf : La chaleur spécifique du fluide froid ………………………………….. (J/ (Kg. K) Cmin : Débit thermique unitaire minimal…………………………………..…… (w/K) ∆P : La chute de pression……………………………………………………….…. (K.Pa)

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SOMMAIRE Liste des figures................................................................................................................................... i Liste des tableaux .............................................................................................................................iii Nomenclature....................................................................................................................................iV Introduction générale............................................................................................................... 1

Chapitre I : Présentation du complexe cevital I.1 Introduction........................................................................................................................... 2 I.2 Présentation du complexe Cevital......................................................................................... 2 I.2.1 Historique................................................................................................................. 2 I.2.2 Missions et objectifs ................................................................................................. 2 I.2.3 Activités de Cevital .................................................................................................. 3 I.2.4 Situation géographique ............................................................................................. 3 I.2.5 Plan de situation de masse de l’entreprise .............................................................. 4 I.2.6 Organigramme du complexe Cevital........................................................................ 5 I.3 Les unités de production ..................................................................................................... 6 I.3.1 Raffinerie d’huile...................................................................................................... 6 I.3.2 Margarinerie ............................................................................................................ 6 I.3.3 Raffinerie de sucre .................................................................................................. 6 I.3.4 Stockage de la matière première ............................................................................ 6 I .4 Unité Energie et utilités .................................................................................................... 6 I .5 différents produits du groupe Cevital « complexe agroalimentaire de Bejaia» ................. 7 I .6 Alimentation principale du complexe ................................................................................. 8 I.6.1 Poste 30kV................................................................................................................ 8 I.6.2 Poste 60 kV............................................................................................................... 8 I.6.3 Source de secours (centrale groupe) ........................................................................ 9 I.7 Bilan de puissance ................................................................................................................. 9

I.8 Nécessité du réseau de cogénération................................................................................... 10 I.9 Conclusion .......................................................................................................................... 11

Chapitre II : Généralité sur la cogénération II.1 Historique .......................................................................................................................... 12 II.2 Préambule ......................................................................................................................... 12 II.3 Définition .......................................................................................................................... 13 II.4 Généralité.......................................................................................................................... 13 II.5 Présentation de l’installation ........................................................................................... 14 II.5.1 Caractéristiques indicatives de fonctionnement de la chaudière ......................... 14 II.5.2 Production vapeur surchauffée ............................................................................. 14 II.5.3 Combustibles ........................................................................................................ 14 II.5.4 Caractéristiques des principaux équipements constituant l’unité......................... 14 II.5.5 Principe Général de fonctionnement .................................................................... 16 II.7 Conclusion ......................................................................................................................... 18

Chapitre III : Présentation de site Kapp III.1 Description de site de Kapp ........................................................................................... 19 III.1.1 Système KAPP ................................................................................................... 19 III.1.2 Aérocondenseur................................................................................................. 19 III.2 Fonctionnement du process ............................................................................................. 20 III.2.1 Bouilleurs Kapp................................................................................................... 22 III.2.2 Evapo-condenseurs ............................................................................................ 23 III.3 Pompes condensats « KAPP » ........................................................................................ 24 III.3.1 Pompes condensats process................................................................................. 24 III.4 Situation actuelle ligne échappement turbine ................................................................. 24 III.5 DS1................................................................................................................................... 25 III.6 Conclusion ....................................................................................................................... 26

Chapitre IV : Échangeur à plaque IV.1 Introduction ...................................................................................................................... 27 IV.2 Technologie des plaques ................................................................................................. 27 IV.2.1 Plaque à canal large ............................................................................................. 27

IV.2.2 Plaque à double paroi .......................................................................................... 28 IV.2.3 Plaque semi-soudée ............................................................................................. 28 IV.2.4 L’écoulement d’une plaque ................................................................................ 29 IV.2.5 Auto centrage des plaques................................................................................... 30 IV.2.6 Joint sans colle .................................................................................................... 30 IV.3 Optimisation de l’échange de chaleur ............................................................................. 31 IV.4 Principe de fonctionnement ............................................................................................. 31 IV.5 Conception et fonctionnement des échangeurs à plaques ............................................................ 32 IV.6 Condenseur à plaques ..................................................................................................... 34 IV.7 Évaporateur à plaques ..................................................................................................... 35 IV.8 Matériaudes plaques ............................................................................................................. 35 IV.8.1 Circulation latérale à travers les plaques............................................................. 37 IV.8.2 Circulation diagonale à travers les plaques ......................................................... 37 IV.8.3 Nettoyage de l’échangeur.................................................................................... 38 IV.8.3.1 Nettoyage mécanique ............................................................................. 38 IV.8.3.2 Nettoyage chimique................................................................................ 38 IV.8.4 Remplacement d’un joint ou d’une plaque.......................................................... 38 IV.8.4.1 Remplacement d’un joint ....................................................................... 38 IV.8.4.2 Remplacement d’une plaque .................................................................. 38 IV.8.4.3 Installation de nouvelles plaques........................................................... 39 IV.8.4.4 Stockage des pièces de rechanges .......................................................... 39 IV.8.4.5 installation des plaques .......................................................................... 39 IV.8.4.6 Serrage manuel des plaques.................................................................... 40 IV.8.4.7 Le test hydraulique................................................................................. 40 IV.9 Quelques notions sur les échangeurs ............................................................................... 41 IV.9.1 Principaux modes d’écoulement des deux fluides .............................................. 41 IV.9.1.1 Ecoulement des deux fluides Co-courants ............................................ 41 IV.9.1.2 Ecoulement des deux fluides à contre-courants .................................... 42 IV.10 Dimensionnement de l’échangeur ................................................................................. 43 IV.10.1 Introduction ....................................................................................................... 43 IV.10.2 Relation fondamentale régissant le transfert de chaleur dans un échangeur .... 43 IV.10.3 Différents types d’échangeurs thermiques ....................................................... 44

IV.10.3.1 Echangeur à tubes en U ........................................................................ 44 IV.10.3.2 Echangeur à faisceau tubulaire horizontal............................................ 44 IV.10.3.3 Echangeur à faisceau tubulaire vertical .............................................. 45 IV.10.3.4 Echangeur à spirales ............................................................................ 46 IV.10.3.5 Echangeur à plaques ............................................................................ 47 IV.10.4 Transmission de la chaleur dans un échangeur de chaleur ............................. 48 IV.10.4.1 Par conduction ...................................................................................... 48 IV.10.4.2 par convection ...................................................................................... 48 IV.10.4.3 par rayonnement ................................................................................... 48 IV.11.5 Mode de transfert de la chaleur ......................................................................... 49 IV.9 Conclusion........................................................................................................................ 49

Chapitre V: Dimensionnement de l’échangeur à plaque V.1 Dimensionnement de l’échangeur à plaques ..................................................................... 50 V.1.1 Calcul de la Différence de température moyenne logarithmique (DTLM)......... 50 V.1.2 Calcul des dimensions principales de l’échangeur............................................... 52 V.1.3 La procédure de calcul ........................................................................................ 52 V.1.4 Calcul de l’efficacité thermique de cet échangeur................................................ 57 V.1.4.1 Résultats et interprétations ........................................................................ 58 V.2 Les différentes régulations du processus .......................................................................... 58 V.2.1 Régulation de charge ............................................................................................ 58 V.2.2.1 Principe .................................................................................................. 58 V.2.2 Régulation de niveau chaudière .......................................................................... 59 V.2.3 Régulation de température de désurchauffe ....................................................... 59 V.3 Les principales technologies d'une boucle de régulation ........................................................... 59 V.4 Applications types .............................................................................................................. 62 V.4.1 Régulation de température .................................................................................... 62 V.4.2 Régulation de pression .......................................................................................... 62 V.4.3 Régulation de débit ............................................................................................... 62 V.4.4 Stockage d’eau chaude.......................................................................................... 63 V.4.5 Poste de détente vapeur autonome ........................................................................ 63 V.5 L’évapo-condenseur ......................................................................................................... 63

V.5.1 La mise en service des évapo-condenseur ........................................................... 64 V.5.1.1 Condition de fonctionnement et de conception ...................................... 64 V.5.1.2 Procédures de fonctionnement ................................................................ 64 V.5.2 Procédures de démarrage ..................................................................................... 64 V.5.3 Procédure d’arrêt .................................................................................................. 65 V.5.4 Chocs de température ........................................................................................... 65 V.5.5 L’économiseur ..................................................................................................... 65 V.5.6 Le capteur ............................................................................................................ 65 V.5.7 Le capteur différentiel de niveau(LICA) ............................................................. 66 V.5.8 Les vanne de régulation ........................................................................................ 66 V.5.8.1 La vanne tout ou rien .............................................................................. 66 V.5.8.2 La vanne analogique (4-20mA) .............................................................. 66 V.6 Le GRAFCET du process Eau-Vapeur ……………………………………………….…66 V.6.1 Définition du GRAFCET ..................................................................................... 66 V.6.1.1 Les entrés ................................................................................................. 67 V.6.1.2 Les Transissant ........................................................................................ 67 V.6.1.3 programme du Grafcet de la cogénération du process (Eau-Vapeur)...... 68 V.7 Conclusion........................................................................................................................ 70

Conclusion générale.......................................................................................................... 71 Références Bibliographiques ........................................................................................ 72 Annexes A: Méthodes de calcul des échangeurs de chaleur................................................ 74 Annexes B: Calcul de la température de refoulement.......................................................... 80 Annexes B: La présentation des étapes et des transitions du GRAFCET en [FBD] .......... 82

Introduction Générale

Introduction générale Les préoccupations environnementales comme la pollution et le réchauffement climatique ainsi que l’épuisement des ressources fossiles et le besoin croissant en énergie sont derrière une quête acharnée de nouvelles sources d’énergie. Une grande part de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite par échangeurs à plaque, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. Ils sont utilisés principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agro-alimentaire, production d’énergie, etc.).Ils constituent donc un des dispositifs clé du thermicien, et sont un composant quasi inévitable dans la maîtrise de l’énergie Compte-tenu de leurs multiples utilisations, les difficultés rencontrées par les utilisateurs d’échangeurs à plaque sont diverses et variées. Toutefois, un des principaux problèmes de fonctionnement auxquels ils se heurtent aux phénomènes d’encrassement. En effet, L’échangeur à plaque sur le site Kapp cogénération cevital présente des insuffisances de débit d’eau osmose sortant de l’échangeur. En alimentant les trois évapo-condenseur. Dans la première partie de ce travail, le complexe agroalimentaire Le second chapitre, sera consacré en premier lieu la description de la cogénération ainsi que son principe de fonctionnement, les caractéristiques de la chaudière et les evapocondenseurs. Le troisième et Le quatrième chapitre seuls réservés respectivement au fonctionnement de site de Kapp et à la description d’un échangeur à plaque. En fin Le cinquième chapitre, est consacré aux solutions proposées et les démarches à entreprendre à avoir le dimensionnement de l’échangeur à plaque. On termine ce présent travail par une conclusion générale.

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I.1 Introduction Dans cette partie nous parlerons de l’évolution chronologique du complexe, ses multiples activités industrielles, ses principaux objectifs, ainsi que l’organigramme décrivant ses différentes directions.

I.2 Présentation générale de l’entreprise I.2.1 Historique Cevital Est parmi les entreprises algériennes qui ont vu le jour dès l'entrée de notre pays en économie de marché. Elle a été créée par des fonds privés en 1998. Son complexe de production se situe dans le port de Bejaia et s'étend sur une superficie de 45000m2. Cevital Contribue largement au développement de l'industrie agroalimentaire nationale, elle vise à satisfaire le marché national et exporter le surplus, en offrant une large gamme de produits de qualité. En effet les besoins du marché national sont de 1200T/J d'huile l'équivalent de 12 litres par personne et par an. Les capacités actuelles de cevital sont de 1800T/j, soit un excédent commercial de 600T/J. Les nouvelles données économiques nationales dans le marché de l'agroalimentaire, font que les meilleurs sont ceux qui maîtrisent d'une façon efficace et optimale les coûts, les charges et ceux qui offrent le meilleur rapport qualité/prix. Ceci est nécessaire pour s'imposer sur le marché que cevital négocie avec les grandes sociétés commerciales internationales, ces produits se vendent dans différentes villes africaines (Lagos, Niamey, Bamako, Tunis, Tripoli…).

I.2.2 Missions et objectifs L’entreprise a pour mission principale de développer la production et d’assurer la qualité et le conditionnement des huiles, des margarines et du sucre à des prix nettement plus compétitifs et cela dans le but de satisfaire le client et le fidéliser. Les objectifs visés par cevital peuvent se présenter comme suit :  L’extension de ses produits sur tout le territoire national.  L’importation de graines oléagineuses pour l’extraction directe des huiles brutes.  L’optimisation de ses offres d’emploi sur le marché du travail.  L’encouragement des agriculteurs par des aides financières pour la production locale de graines oléagineuses

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 La modernisation de ses installations en termes de machine et technique pour augmenter le volume de sa production.  Le positionnement de ses produits sur le marché étranger par leurs exportations.

I.2.3 Activités de cevital Lancé en Mai 1998, le complexe cevital a débuté son activité par le conditionnement d’huile en Décembre 1998. En Février1999, les travaux de génie civil de la raffinerie ont débuté, cette dernière est devenue fonctionnelle en Août 1999. L’ensemble des activités de cevital est concentré sur la production et la commercialisation des huiles végétales, de margarine et de sucre et se présente comme suit :  Raffinage des huiles (1800 tonnes/jour);  Conditionnement d’huile (1400 tonnes/heure);  Production de margarine (600tonnes/jour) ;  Fabrication d’emballage (PET): Poly-Ethylène-Téréphtalate (9600unités/heur) ;  Raffinage du sucre (2000 tonnes/jour);  Raffinage du sucre (3000 tonnes/jour);  Stockage des céréales (120000 tonnes);  Minoterie et savonnerie en cours d’étude.

I.2.4 Situation géographique Cevital est implanté au niveau du nouveau quai du port de Bejaia à 3 Km du sud-ouest de cette ville, à proximité de la RN 26. Cette situation géographique de l’entreprise lui a beaucoup profité étant donné qu’elle lui confère l’avantage de proximité économique. En effet elle se trouve proche du port et l’aéroport, et il s’étend sur une superficie de 14 Hectares.

3

I.2.5 Plan de situation de masse de l’entreprise

Figure I.1 : situation géographique et plan de masse.

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1.2.6 Organigramme du complexe cevital Directeur Générale

Directeur générale adjoint

Direction sécurité et hygiène

Direction finance et comptabilité

Secrétariat du directeur

Comptabilité générale - Comptabilité analytique Comptabilité matière

Direction Commerciale

Service vente - Service exportation Service marketing et communication

Direction commerciale logistique

Service approvisionnement - Service expédition Service transite/transport - Service magasinage

Service maintenance mécanique - Service maintenance électrique - service méthode Service utilité et épuration

Direction technique Direction technique contrôle de qualité

Labo contrôle et suivie de qualité au raffinage d’huile - Labo contrôle et suivie au conditionnement -Labo raffinage sucre Labo margarinerie

Direction distribution directe Direction conditionnement

Service plastique Service conditionnement huile

Direction margarinerie

Responsable production margarine Responsable maintenance

Production d’huile

Service raffinage huile -Service étude Service matière

Direction Energie & Utilités

Service électricité - Service chaufferie

Direction ressources humaines

Service paie et sociale -Service moyens généraux Service personnel

Direction raffinerie sucre

Service juridique et organisation -Service administration -Service construction -Service suivi et contrôle cout -Service matériel

Direction projet 5

Figure I.2 : Organigramme du complexe cevital.

I.3 Les unités de production : Le complexe cevital est composé de plusieurs unités de production Agro-alimentaire

I.3.1 Raffinerie d’huile Elle a été mise en chantier en mai 1998, l’adaptation d’une technologie de dernière génération lui a permis de rentrèrent production en un temps record soit aout 1999. Elle est considérée parmi les plus modernes au monde. Actuellement sa capacité de production est de 1800 tonnes par jour. Cette raffinerie est conçue pour traiter toutes les qualités d’huile comestible tel que : le colza, le tournesol, le soja, le palme…etc.

I.3.2 Margarinerie Mise en chantier en mars 2000, puis rentrée en production en juillet 2001. Cette margarinerie construite par le groupe lui-même représente une offensive considérable sur le marché à grand publique. Sa capacité de production est de 100T/J pour chaque chaîne de production qui sont au nombre de six.

I.3.3 Raffinerie de sucre Elle est mise en chantier en octobre 2000, devenue fonctionnelle en octobre 2002. Elle est dotée d’un équipement industriel très modernisé qui répond aux besoins du marché, sa capacité de production actuelle est de 1600T/J dépassant ainsi les 500000T/an. Cette dernière couvrira les besoins nationaux en sucre blanc. Une nouvelle raffinerie de sucre d’une capacité de 3000T/J est actuellement mise en service en période de démarrage et d’essais.

I.3.4 Stockage de la matière première Les silos de stockage sont opérationnels depuis juin 2003, ce sont de gigantesques récipients cylindriques construits en béton, destinés au stockage des céréales et des graines oléagineuses. Au nombre de 24, la capacité de stockage de chaque cellule est de 5000 tonnes, ce qui offre une capacité de 120000 tonnes (la plus grande capacité de stockage en Afrique

I.4 Unité Energie et utilités La direction Energie est constituée de deux départements qui sont :

6



Département

énergie (production, maintenance et distribution de l’énergie

électrique) : on distingue :  Le poste 60kV ;  Le poste 30kV ;  La cogénération.



Département chaufferie (production et distribution de la vapeur)

Les différents départements de la direction Energie sont représentés dans l’organigramme suivant :

Directeur de la direction d’énergie et utilité Assistante

Chef département utilité

Responsable chaufferie

Responsable osmose

Chef département énergie

Chef service maintenance

Chef service méthode

Responsable exploitation

Figure I.2 : Organisation de la direction énergie et utilité.

I.5 Les différents produits du groupe cevital « complexe agroalimentaire De Bejaia» Les produits de cevital disponible sur le marché sont :  Huile : 

Fleurial : 100% tournesol commercialisé depuis août 1999.



Soya : 100% soya commercialisé depuis décembre 1999.



Canola : 100% colza commercialisé depuis septembre 1999



Olivia: hailer d’Alene refines.



Fridor: huile végétal 100% équilibrée

 Margarine : 

Fleurial



Matina.

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

La Parisienne



Schourteningue

 Sucre : 

Blond cristallin et liquide

I.6 Alimentation principale du complexe Le complexe industriel cevital est alimenté par le réseau SONELGAZ, il a subit, au cours du temps, certaines modifications. Au début il était alimenté par une ligne de 30KV et par suite de l’extension qu’a connue le complexe, les responsables de la société ont été amenés à souscrire une nouvelle ligne 60KV.

I.6.1 Poste 30KV Au début l’alimentation en énergie électrique du complexe était assurée par une ligne électrique spécialisée 30KV à partir du poste de transformation 60/30KV SONELGAZ bougie 1 Situé à une distance de 1500m environ. La tache principale de la ligne 30KV (la cellule F53) consiste à l’alimentation en énergie électrique des parties suivantes : 

Conditionnement d’huile par la cellule F34.



La S/Station raffinerie d’huile par la cellule F32.



La S/Station bouchon par la cellule F34.



La S/Station margarine par la cellule F32.

I.6.2 Poste 60Kv Pour alimenter la première raffinerie de sucre, SONELGAZ ne pouvait pas assurer la puissance nécessaire en 30KV, ainsi l’entreprise cevital a réalisé son propre poste 60/30KV qui devait être alimenté directement par une ligne 60kV issue du poste d’interconnexion D’el-Kseur, distant d’une vingtaine de kilomètres. Pour diverses raisons, cette ligne 60KV Depuis le poste d’el-Kseur n’a pas été réalisée. Une liaison par câble 60KV a été mise en place entre le complexe cevital et le poste 60/30KV SONELGAZ Bougie 1 (cité Tobbal). Pour alimenter cette liaison, SONELGAZ a réservé : 

La ligne Darguina-Bougie 2 (Bir Slam).



Un jeu de barres 60KV au poste Bougie 2.



Une liaison câble 60KV entre Bougie 2 et Bougie 1.

8

La ligne 60KV Darguina-Bougie 2 est une ancienne ligne 30KV qui a été transformée en 60KV par adjonction de chaines d’isolateurs, cependant elle reste très vulnérable et la section des conducteurs limite la puissance transitée. La tache principale de la ligne 60KV est l’alimentation du complexe par :  Un jeu de barres 30KV N°01 :  Le conditionnement du sucre 01 par la cellule F02.  Le conditionnement du sucre 02 par la cellule F03.  Le conditionnement du sucre 03 par la cellule F04.  Alimentation des auxiliaires par la cellule F01.  Un jeu de barres 30KV N°02 :  La cellule F9 qui est connecté à l’ancien poste de livraison (poste 30KV).  Zone énergie (affinage, chefferie) par la cellule F11.  Silos par la cellule F12. Alimentation des auxiliaires par la cellule F13.

I.6.3 Source de secours (centrale groupe) L’augmentation très rapide de la consommation de la ville de Bejaïa et ses environs a entraîné la surcharge de ce poste d’où une multiplication des incidents et pannes. Pour parer à ces multiples coupures et pannes qui perturbent le processus de production, Cevital s’est équipée d’une centrale composée de sept groupes électrogènes de puissance globale de 12,2 MVA montées en parallèle et de sept transformateurs élévateurs de 400V /30KV.

I.7 Bilan de puissance  Puissance installée Elle représente la somme des puissances indiquées sur les plaques signalétiques de tous les récepteurs.

 Puissance utilisée Elle représente la puissance réellement consommée au point source par les divers circuits d’une installation (les charges). Elle est plus faible que la puissance installée vus que les récepteurs n’absorbe pas tous, simultanément, leurs puissances nominales.

 PMD : puissance mise à disposition par SONELGAZ est 10MW

9

Les puissances des différentes charges du complexe sont données dans le tableau I.1 :

Puissance installée (KVA)

P moy(MW)

Cos φ

Sucre 1 3000

3150

1.007

0.87

Sucre 2 3000

3150

0.984

0.85

Sucre 3 3000

3150

0.383

0.79

Silo Sucre banc

3150

0

0.00

aérocondenseur

3150

0.566

0.81

F02

Sucre 1 1600

3150

1.521

0.92

F03

Sucre 2 1600

3150

1.6

0.87

F04

Sucre 3 1600

3150

0.67

0.80

F10

Co2

3150

0

0.00

F11

Zone énergie

3150

0.897

0.86

affinage

3150

0.344

0.84

F12

Silo Sucre roux

3150

0.38

0.93

F09

Raffinerie huile A

2000

0.425

0.83

Raffinerie huile B

2000

0.668

0.82

Raffinerie huile C

3500

1.017

0.88

margarine

3150

0.525

0.85

Condition huile

2*3150

2.567

0.89

bouchon

1600

0.425

0.81

55700

13.979

0.85

F00

Totale

Tableau I.1 : Bilan de puissance du complexe cevital

I.8 Nécessité du réseau de Cogénération La demande de puissance supplémentaire exigée par l’extension du complexe ne pouvant être satisfaite par le réseau SONELGAZ, Cevital a opté pour une production autonome d’énergie à partir d’une centrale thermique à vapeur. Il a été procédé donc à l’achat et à l’installation de deux groupes blocs (turbine, alternateur, transformateur) de 32 MVA de puissance unitaire. Cette puissance installée étant largement supérieure au besoin du complexe (25 MVA), Cevital envisage de rétrocéder l’excédent au réseau SONELGAZ.

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I.9 Conclusion Nous avons vu dans ce chapitre que les besoins d’extension du complexe Cevital rendent la production autonome d’énergie indispensable pour satisfaire les besoins du complexe en électricité. Dans le chapitre suivant nous présenterons premier lieu des Généralité sur la cogénération ainsi le Principe Général de fonctionnement.

11

II.1Historique C’est dans l’industrie que la cogénération est née et a pris son essor ; les usines, dans leur grande majorité, ont besoin de force motrice pour faire tourner leurs machines et de vapeur pour leurs turbines industrielles et d’ateliers. Il y a plus d’un siècle et demi, le charbon était pratiquement le seul combustible utilisé ; il était brûlé dans des chaudières donnant de la vapeur saturée à moyenne pression (10 à 20 bar) envoyée dans des machines à pistons, qui entraînaient, par des poulies et des courroies les machines utilisatrices, situées à proximité ; la vapeur détendue partait, par un réseau de tuyauteries, alimenter les différents besoins de l’usine. Par la suite, les progrès ont été rapides : les pressions sont montées, atteignant 125 bars dans les très grandes installations ; on a découvert les avantages de la surchauffe ; les dynamos puis les alternateurs sont apparus et l’électricité a transporté la force motrice sur de grandes distances. La machine à piston a été remplacée par la turbine à vapeur (TAV). Ce moteur est beaucoup plus économique. Il donne une vapeur propre dont les condensats peuvent être récupérés. Ce système, chaudière plus turbine à vapeur, s’est alors énormément développé dans l’industrie. Après la dernière guerre mondiale presque toutes les usines qui se sont reconstruites l’ont adopté. Deux autres combustibles ont fait leur apparition par la suite, le fuel et le gaz naturel. Leurs qualités intrinsèques vont les amener à supplanter le charbon. Dans le domaine des transports, le moteur à combustion interne ou moteur alternatif s’implante définitivement pour la traction automobile. Très rapidement on s’est mis à l’utiliser en groupe électrogène pour produire de l’électricité dans des lieux Éloignés des réseaux de distribution et pour pallier les interruptions de courant du réseau. On s’est vite rendu compte qu’il était facile d’utiliser la chaleur dégagée de ces moteurs pour des besoins classiques.

II.2 Préambule Le procédé de cogénération est constitué par l’ensemble des opérations

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nécessaires à la production simultanée d’énergie mécanique (électrique) et d’énergie thermique (chaleur utilisable), à partir d’une même source d’énergie primaire. Par la récupération d’une partie de l’énergie thermique qui, dans la production traditionnelle limitée à l’énergie électrique, est libérée dans l’environnement, le processus de cogénération représente une utilisation plus rationnelle de l’énergie primaire. Les installations ayant pour finalité la production d’énergie électrique, ont des rendements de conversion énergétique qui peuvent varier de 20% pour les installations les moins performantes, à environ 60% pour les cycles combinés les plus récents. 40 à 80% de l’énergie primaire utilisée est cédée sous forme de chaleur à l’environnement. Dans une installation de cogénération par contre, une partie de la chaleur disponible dans les gaz d’échappement est récupérée pour d’autres usages. Grâce à ce procédé, le rendement de conversion peut atteindre 90% avec par conséquent une économie d’énergie primaire ainsi qu’une réduction des émissions polluantes et des coûts de production de l’énergie.

II.3 Définition La cogénération est la production simultanée d'énergie mécanique et de chaleur. L'énergie mécanique sert généralement à faire tourner un alternateur pour produire de 1 'électricité. La chaleur est récupérée pour l'utilisation généralement sous forme d'eau chaude ou de vapeur. La vectrice cogénération peut être orientée suivant deux logiques distinctes, selon que l'objectif principal est la production d'électricité ou de la chaleur. Une première logique consiste à récupérer la chaleur des centrales électriques pour alimenter des processus industriels ou des équipements. C’est notamment le cas dans les pays dont la production électrique repose sur des centrales thermiques et qui ont développé massivement les réseaux de chaleur, par exemple centrale et du Nord. Une seconde logique consiste à orienter une partie de l’énergie produite dans des installations produisant de grandes quantités de chaleur pour obtenir une génération électrique d’appoint. C’est le cas, par exemple, dans des secteurs industriels à forts besoins thermiques.

II.4 Généralité La cogénération est une technique qui permet d’obtenir à partir d’un seul combustible et

13

dans une installation unique de la chaleur (vapeur) et de l’énergie mécanique, cette dernière étant convertie en électricité à travers les ’alternateurs. Le groupe cevital a opté pour ce type d’installation afin de répondre à ses besoins en matière d’énergie électrique et thermique pour son complexe agro-alimentaire situé à Bejaia.

II.5 Présentation de l’installation II.5.1 Caractéristiques indicatives de fonctionnement de la chaudière -

Chaudière type « tubes d’eau » – pression : 64 Bars ––Installation "out-door"

-

Mode d’exploitation : Surveillance Permanente selon la norme NF-E-32020-1

II.5.2 Production vapeur surchauffée Débit nominal

150 T/h

Pression de service

53 Bar

Température vapeur surchauffée

480°C

II.5.3 Combustibles  Gaz naturel : -

Hu

37,09 MJ/Nm3.

-

Pression gaz

5,7 – 6 bar stable

-

Température

0 < T < +25°C

-

Absence d’azote organique

II.5.4 Caractéristiques des principaux équipements constituant l’unité -Deux turbines : vapeur à contre pression dont les caractéristiques sont les suivantes : 

Production : 25 MW chacune



Consommation : 150T/J de vapeur par turbine.



Restitution : 150 T/H de vapeur détendue à 4 bars

NB : un excédent de 25 MW sera injecté dans le réseau SONELGAZ -Unité de refroidissement : deux groupes d’aéro-réfrigérant destiné pour le refroidissement des huiles HP de l’huile lubrification et de l’alternateur. 

Puissance total de refroidissement : 7.4MW



Consommation électrique : 100KW



Fluide utilisé : eau



Température d’entré du fluide : 85°C



Température de sortie du fluide : 45°C

14



Débit : 170 M3 /h pour chaque groupe.

-Bâche dégazante : Pour alimentation des chaudières en eau osmosée de : 

Longueur = 13180 mm.



Diamètre = 3000 mm.



Pression de service = 1.21 bar.



T° de service =105°C.



Capacité = 88 M3

-Bac pour eau déminéralisée : pour assurer l’appoint de la bâche, d’une capacité de 300 M3, diamètre : 11000 mm, Hauteur : 7000 mm. -Six échangeurs de chaleur type Hybride (rebouilleur) : Ces équipements permettent, via un échange de chaleur entre la vapeur sortie turbines et le condensât des eaux de process (unité d’osmose), d’avoir la vapeur nécessaire au process de la raffinerie de sucre et la raffinerie d’huile. 

Deux (04) pour assurer les besoins en vapeur de la raffinerie de sucre.



Un (02) pour assurer les besoins en vapeur de la raffinerie d’huile et annexe. Les sorties de vapeur des six rebouilleurs sont reliées vers un seul collecteur de vapeur.

-Bac pour eau de condensât : pour le process de la raffinerie de sucre d’une capacité de 300 M3 -Deux stations d’injection d’eau : désurchauffeurs (DS3, DS2) A 100 °C qui ont pour but de réduire la pression et la température de la vapeur selon les exigences des différents process (raffinerie de sucre, raffinerie d’huile). -Condenseur à eau de mer pour la condensation de la vapeur : Si cette dernière n’est pas consommée par le process d’une capacité de 300 T/h, P = 4 bars, T°= 180°C, la vapeur détendue sera injectée directement dans la bâche dégazante (réserve)

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-Ensemble de pompe, tuyauterie, raccorderie, vannes et instrumentation pour le contrôle de pression, température et débit et tout le système électrique et de régulation nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de toute l’installation.

II.5.5 Principe Général de fonctionnement Cette chaudière est destinée à produire de la vapeur surchauffée à une pression de 53 bars et une température de 480°C.  Pour le démarrage d’une chaudière, il est nécessaire qu’une pompe alimentaire (rep PID P01, P02, P03) soit en service et une autre en automatique (secours)  La conduite des chaudières sera assurée à partir des armoires de contrôle-commande des chaudières et bâche (armoire électrique B1C (chaudière 1), armoire électrique B2C (chaudière 2), armoire électrique CC (commun))  La conduite des chaudières sera assurée à partir des armoires de contrôle-commande des chaudières et bâche (armoire électrique B1C (chaudière 1), armoire électrique B2C (chaudière 2), armoire électrique CC (commun)) Les appareils de contrôle et de sécurité équipant la chaudière sont définis pour une exploitation en mode surveillance permanente suivant la norme NFE 32020.1 Le générateur de vapeur est l’élément dans lequel s’effectue le processus de combustion et dans lequel la chaleur développée par la combustion est utilisée pour réchauffer, vaporiser et surchauffer la vapeur à haute pression. La turbine produit le travail utile qui est transformé généralement en énergie électrique, tandis que le condenseur est un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur soustraite de la condensation de la vapeur est cédée à l’environnement, lorsqu’elle n’est pas récupérée. La pompe sert à fermer le cycle et à reporter le fluide condensé à la pression à laquelle il est introduit dans le générateur de vapeur. Dans ces installations, le rendement thermodynamique augmente, aussi bien en augmentant la température et la pression maximum de la vapeur qu’en diminuant la température de la source froide. Toutefois, si nous souhaitons utiliser une partie de la chaleur, rejetée autrement dans l’environnement, pour un processus industriel ou pour un réseau de chaleur, nous devrons augmenter la température de condensation. Les processus industriels devant être approvisionnés en chaleur utile à température moyenne, récupèrent la chaleur par soutirage de la vapeur à différents stades de détente, cela provoque une réduction de la production d’énergie électrique mais augmente le rendement global de conversion de l’énergie primaire du combustible. On peut

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facilement comprendre que plus la température à laquelle s’effectue le soutirage est élevée, plus le rapport chaleur/force est important. Il existe deux types d’installations à vapeur utilisés pour la cogénération :



installations de TAV à contre-pression, dans lesquelles la turbine à vapeur cède la vapeur dans le condenseur à une pression supérieure à la pression atmosphérique (Figure II.2).



installations de TAV à condensation avec soutirage, dans lesquelles le prélèvement de vapeur pour des usages technologiques ou pour le chauffage est partiel et est effectué durant la phase de détente dans la turbine. (Figure II.3).

Figure II.1 : Installation à contre pression.

Figure II.2 : Installation avec soutirage.

Quand on doit fournir de la chaleur à une pression relativement faible, l’installation de TAV à contre pression est la plus convenable, dans ce type de configurations toute la vapeur s’écoule à travers la turbine et est évacuée à la pressio n demandé, par contre, si on doit fournir de la vapeur à des pressions plus importantes, on sera obligé d’effectuer des soutirages de la vapeur pendant sa détente, et cela va engendrer une diminution de l’énergie électrique produite. Les TAV à condensation totale de la vapeur et favorisent la production de l’énergie électrique, en faisant passer toute la vapeur par la turbine, mais ceci entraîne une production

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limitée en énergie thermique, néanmoins, dans le cas de TAV à contre pression, le soutirage de la vapeur peut combler ce manque, donc le choix de la configuration idéal dépend de la demande en énergie ou plus explicitement, il dépend du rapport force/chaleur demandé. Dans l’utilisation de la cogénération pour l’échangeur à plaque, le système de TAV à condensation peut fonctionner près ou même au -dessus de la pression atmosphérique, ceci assure que l’eau de l’échangeur à plaque pourra cueillir assez d’énergie thermique pour répondre aux besoins des utilisateurs.

II.7 Conclusion La production d'énergie est indépendante des conditions météorologiques, la source d'énergie peut être (dans une certaine mesure) facilement stockée et la puissance unitaire des centrales peut être très élevée. Elles permettent de faire de la cogénération : lorsque l'on a besoin à un endroit déterminé de chaleur en grande quantité, il est intéressant de créer une centrale thermique qui produit de l'électricité et dont le circuit de refroidissement sert de source de chaleur pour l'application désirée, (les centrales solaires, hydrauliques et les éoliennes le permettent aussi quand le soleil, l'eau ou le vent sont présents). Dans le chapitre suivant nous présenterons Le site de Kapp ainsi le Fonctionnement du process.

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III.1 Description de site de Kapp C’est une partie importante dans la cogénération car c’est elle qui permet de produire la vapeur qu’on utilise dans les raffineries de sucre et de huile sans utiliser une autre chaudière.

III.1.1 Système KAPP Le point essentiel à retenir sur les évapo-condenseurs est l’absence actuelle de dispositif de purges continues de la calandre. En effet, ces équipements s’apparente à des chaudières classiques dont le combustible n’est ni plus ni moins de la vapeur BP. Au niveau de ces « chaudières » la vaporisation de l’eau (condensats process) conduira naturellement à une concentration des sels dissous dans la phase liquide et en conséquence à un encrassement de la calandre. ICE préconise la mise en œuvre d’une vanne de régulation pour chaque évapocondenseur. Afin d’intervenir sur ces équipements ayant été certifiés CE, cette vanne pourrait être installés via les piquages S2.

III.1.2 Aérocondenseur Compte tenu du changement de philosophie de la gestion des ballons des condensats BW1 et BW2 (passage de ballon atmosphériques à des ballons sous pression), il faut valider la nécessité de collecter les condensats de l’aérocondenseur dans ces ballons. Une autre possibilité serait d’assurer le retour de ces condensats directement dans la bâche alimentaire. En tout état de cause, il faut à minima que ces condensats soient « aiguillables » sur chacun des ballons. Actuellement, sur le PID (voir figure ci-dessous), le retour de ces condensats n’est prévu que sur le ballon BW1, rendant inutilisable l’aérocondenseur en cas d’indisponibilité de ce ballon. A noter que le retour des condensats aérocondenseur vers la bâche alimentaire solutionne à la fois la question de disponibilité (en cas d’indisponibilité de la bâche, arrêt complet de l’installation !) ainsi que les perturbations de fonctionnement des échangeurs à plaque liées au « refroidissement » des condensats des évapo-condenseurs.

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III.2 Fonctionnement du process L’eau osmose arrive au Bac BW4 300 m3 qui sera pomper à travers les deux pompe PW7 ou PW8 vers la bâche alimentaire à une température de 25°C le débit d’eau est contrôlé par la vanne entrée bâche, puis il ressort à travers les pompes alimentaire 1, 2 ,3 à une température 105°C et une pression de 0,21 bar ver l’économiseur puis il rentre dans le ballon chaudière avec une température de 200°C puisque le ballon il est en circuit fermer avec la chaudière donc il sort du ballon avec une température de 274°C et puis il rentre dans le surchauffeur BT qui va augmenter la température d’eau à 463°C l’eau sortant de SBT est contrôler par la vanne TCV qui va injecter de l’eau qui venant de la bâche alimentaire pour baisser la température de l’eau à 395°C et puis il rentre dans le surchauffeur HT et il ressort avec une température de 480°C et une pression de 54bar qui va faire tourner la turbine a une vitesse 1500 tr/mn, ce dernier entraine un alternateur de 11KV/30KV l’échappement de la turbine sort à une température de 140°C à 220°C et une pression réglable entre 2,7 à 3,7bar, est désurchauffé (désurchauffeur DS2 et DS3) puis est condensée dans les faisceaux des appareils W1A, W1B, W1C (ligne1) et W2A, W2B, W2C (ligne2) ou par les aérocondenseurs en cas de panne sur les condenseur (bouilleur) puis passant par les échangeur EW1 et EW2 et puis en récupère le condensat vapeur dans les bac BW1 et BW2 de 30 m3 finalement les condensat sont refroidis par l’eau à travers les pompes PW1, PW2 et PW3.

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Désurchauffeur DS2

Vapeur (T=220°C)

Vapeur

Raffineries 3000

V-Auto

3 évapo-condenseur

T1=120 °C t2=60 C°

3 Pompes F2

F1

By Pass

t1=26 C°

F3

F4

T2=70°C

Échangeur à plaque

Purge

BW1

BW2

Aérocondenseur

Eau osmose Bâche

Condenseur process sucre

Figure III.1 : Principe de fonctionnement de site de Kapp. 21

alimentaire

Figure III.2 : schéma d’implantation

III.2.1 BOUILLEURS KAPP : La fonction des bouilleurs est de transformer la vapeur d’échappement des turbines (2.7 à 3.7 Bar) en vapeur pour le process (2.0 Bar) de façon à retourner les condensats provenant de la vapeur d’échappement (condensat primaire) à la bâche chaudière sans risque de contamination. Les bouilleurs sont disposés en 2 lignes indépendantes (ligne 1 ou ligne2) de 3 appareils en parallèle. Chaque ligne peut produire 150 t/h de vapeur (50 t/h par bouilleur). La vapeur d’échappement est désurchauffée (désurchauffeur DS2 ou DS3) puis est condensée dans les faisceaux des appareils W1A, W1B et W1C (ligne 1) ou W2A, W2B et W2C (ligne 2). Les condensats sont refroidis par l’eau process d’alimentation, puis vont rejoindre les bacs BW1 et BW2. via les purgeurs UP025 et UP026.

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Les condensats process proviennent du bac BW3. Ils sont réchauffés par dans les économiseurs EW1 ou EW2 par les condensats sortant et alimentent les bouilleurs à niveau régulé par LICA622, LICA642, LICA662. Autre équipements : 

Trois échangeurs de chaleur type Hybride (rebouilleur) :

Ces équipements permettent, via un échange de chaleur entre la vapeur sortie turbines et le condensât des eaux de process, d’avoir la vapeur nécessaire au process de la raffinerie de sucre et la raffinerie d’huile.  Deux (02) pour assurer les besoins en vapeur de la raffinerie de sucre.  Un (01) pour assurer les besoins en vapeur de la raffinerie d’huile et annexe. 

Bac pour eau de condensât : pour le process de la raffinerie de sucre d’une capacité de

300 M3  Deux stations d’injection d’eau : A 100 °C qui ont pour but de réduire la pression et la température de la vapeur selon les exigences des différents process (raffinerie de sucre, raffinerie d’huile).  Condenseur à eau de mer pour la condensation de la vapeur : Si cette dernière n’est pas consommée par le process d’une capacité de 300 T/h, P = 4 bars, T°= 180°C, la vapeur détendue sera injectée directement dans la bâche dégazante. Ensemble de pompe, tuyauterie, raccorderie, vannes et instrumentation pour le contrôle de pression, température et débit et tout le système électrique et de régulation nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de toute l’installation.

III.2.2 Evapo-condenseurs L’installation de cogénération modélisée est caractérisée par deux lignes d’évapocondenseurs, chaque ligne est composée de trois évapo-condenseurs branchés en série Avec un économiseur (échangeur thermique à plaque). A la sortie de la TAV, la vapeur saturée cède son énergie thermique à une eau chaude, l’échange thermique entre les deux fluides se fait en deux endroits différents, premier lieu au niveau de l’évapo-condenseurs puis en deuxième lieu

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au niveau de l’économiseur, à la sortie de ce dernier, on récupère une eau chaude qui sera réutilisé à nouveau. La vapeur saturée produite sera envoyée vers le process de production industriel interne du l’usine.

III.3 Pompes condensats « KAPP » En terme de protection sur niveau bas des bâches BW1 et/ou BW2, l’expérience d’ICE est qu’il est préférable de disposer d’une seule information plutôt que deux : En pratique, il serait préférable de disposer d’une seule mesure de niveau commune aux deux ballons (prise d’impulsion sur ligne 450 CUBP 02650 AC62 CC) plutôt que d’une mesure par ballon, bien que ces mesures devraient être identiques. Il faut également noter que ces pompes ne sont équipées d’aucun dispositif (ni individuel, ni collectif) de protection de débit nul. Dans le cadre des sécurités, au regard du fluide véhiculé (condensats chaud), il aurait été préférable de mettre en œuvre une véritable sécurité contre les phénomènes de cavitation (par détection de pression basse à l’aspiration ou au refoulement) plutôt qu’une simple de détection de présence de fluide (LX).

III.3.1 Pompes condensats process Concernant ces auxiliaires, en termes d’amélioration et de fiabilisation de l’installation, ICE tient à signaler : Qu’il aurait été préférable que chaque pompe dispose d’une aspiration individuelle. En effet sur une indisponibilité de la tuyauterie commune d’aspiration, type encrassement du filtre, les trois motopompes devront être arrêtées, Qu’il aurait été souhaitable que chaque motopompe soit équipée individuellement d’une protection de débit nul, piquée entre la bride de refoulement et le clapet anti-retour plutôt que de ne disposer que d’une seule protection sur le collecteur commun (en aval des vannes d’isolement).

III.4 Situation actuelle ligne échappement turbine A l’échappement, la conception actuelle de chacune de ces lignes prévoit : 

Un clapet anti-retour, installé directement sur la bride échappement turbine,



Deux soupapes de sûreté,

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

Une vanne d’évent DN500,



Une vanne motorisée d’isolement équipée d’un by-pass motorisée

L’« interrogation » principale est la suivante : Quelle est la fonctionnalité exacte de ce clapet ? Sachant que, le PID de principe du fournisseur des groupes turboalternateurs (voir PID ci-dessous) ne préconise pas ce type d’accessoire. Concernant ce point, les préconisations ICE sont les suivantes : 

Soit « déposer » totalement ce clapet,



Soit « démonter » a minima les internes du clapet,



Soit le « déplacer » dans le tronçon horizontal afin de respecter les préconisations du constructeur en termes de longueur droite (5D en amont)

Pour complément, dans la configuration actuelle, tout endommagement du clapet, installé dans les turbulences de l’échappement, présente un risque non négligeable d’introduction de corps métallique dans la turbine !

III.5 DS1 Concernant ce poste de détente/désurchauffe, les 3 principaux points portent sur : 

La distance aval désurchauffe



Le dimensionnement et réalisation des purges aval désurchauffent



La philosophie de mise en œuvre des vannes d’isolement amont et aval.

Pour mémoire, la distance « standard » de longueur droite (avant coude) en aval d’une désurchauffe est de 10D, avec D le diamètre de la tuyauterie aval. Actuellement, cette distance est de 8 300 soit de l’ordre de 7D. Sachant que la valeur limite inférieure est de 5D, ICE préconise : 

De faire valider cette distance par le fournisseur de l’ensemble détente/désurchauffe



D’étudier la possibilité (disponibilité du tube ?) d’allonger cette longueur droite.

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Sur le PID actuel, il n’est prévu aucun dispositif de purge continue en aval de la désurchauffe. Ce point est totalement inacceptable d’autant que cette tuyauterie remonte sur le collecteur général. ICE suggère la mise en œuvre soit d’un pot de purge avec vanne Tout Ou Rien pilotée par détection de niveau, soit un purgeur. Compte tenu de « l’expérience » de la tuyauterie admission turbine (réalisée en partie à « plat »), il est INDISPENSBLE de s’assurer qu’une pente suffisante sera mise en œuvre sur cette tuyauterie 1200 VUBP 02603 AC62 CC lors de la construction afin de créer artificiellement un véritable point bas. Le nombre de vanne d’isolement amont et aval sur ce type d’équipement est directement liée à la philosophie d’exploitation et surtout des interventions de maintenance : Si on considère que ces opérations de maintenance peuvent être réalisées avec l’unité en fonctionnement, il faut un double isolement en amont avec un système de décompression et un simple isolement en aval. A l’inverse, on peut envisager de ne mettre aucun isolement (ni amont, ni aval) si les opérations de maintenance sont systématiquement réalisées à l’arrêt. La configuration actuelle avec un simple isolement en amont), bien que non conventionnelle (2 vannes ou 0 vanne) est acceptable car l’isolement amont permettra de palier à une défaillance (fuite) de la détente afin d’attendre, dans les meilleures conditions, un arrêt programmé de l’installation pour réaliser la maintenance.

III.6 Conclusion La partie Kapp c’est la plus importante dans la cogénération de cevital car c’est avec les équipements de cette partie qu’on obtient l’énergie thermique qu’on exploite pour obtenir la vapeur qu’il utilise dans tout le complexe. Dans le chapitre suivant nous allons présenter l’échangeur à plaque de cevital ainsi son principe de fonctionnement.

26

Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.1 Introduction Les échangeurs à plaques et joints sont très utilisés dans la géothermie car La performance de l’échangeur placé dans une installation de géothermie est caractérisée par la différence entre les températures à l’entrée de la boucle géothermale et la sortie du circuit géothermique. Les meilleures performances sont obtenues avec des échangeurs à plaques et joints [4]. Ils se distinguent par une compacité remarquable due en partie à leur coefficient de transfert de chaleur élevé, une grande facilité de nettoyage et la possibilité d’ajuster leur surface à la demande.

IV.2 Technologie des plaques Les plaques d’un échangeur de chaleur sont en général en forme de chevron pour augmenter la turbulence et ménager des points d’appuis pour résister à la pression. Leur faible épaisseur permet d’utiliser des matériaux de bonne qualité ayant une bonne tenue à la corrosion (acier inox, titane, etc.). De plus, les joints en polymères assurent un double rôle dans l’échangeur de chaleur à plaque jointé: 

étanchéité,



répartition des fluides dans l’échangeur.

Parmi les techniques de fabrication des plaques d’un échangeur de chaleur, nous citons les plus répondus dans le marché.

IV.2.1 Plaque à canal large Avec des canaux de 12 mm sans points de contact, cette plaque est idéale pour les fluides contenant des fibres ou des particules de grande taille. Chaque canal a été conçu pour éliminer le passage des solides dans la zone d’entrée. La figure ci contre représente une plaque à canal large .

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Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.1: Plaque à canal large.

IV.2.2 Plaque à double paroi Composée de plaques comprimées simultanément et soudées au laser sur le port, cette plaque est conçue pour les applications nécessitant une fiabilité totale contre le brassage. La défaillance d’une plaque entraîne une détection externe sans fuite interne. La seconde paroi assure une double barrière entre les fluides, répondant aux normes sanitaires locales [6].

Figure IV.2: Plaque à double paroi [6].

IV.2.3 Plaque semi-soudée La Figure suivante présente deux plaques semi-soudée, séparés avec des joints.

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Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.3: Plaque semi-soudée [6].

IV.2.4 L’écoulement d'une plaque Le profil optimisé assure une bonne répartition des fluides sur toute l’épaisseur de la plaque. Ceci conduit aux meilleurs taux de transfert de chaleur pour la plus faible perte de charge [7].

Figure IV.4: L’écoulement d’une plaque [7].

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Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.2.5 Auto centrage des plaques L’Auto centrage des plaques. Il en résulte un jeu de plaques stable et parfaitement aligné, les joints étant situés directement au-dessus l’un de l’autre ce qui permet une longévité accrue [7].

Figure IV.5: l’auto centrage dans une plaque [7].

IV.2.6 Joint sans colle Le nouveau joint sans colle permet un remplacement des joints rapide et simple.

Figure IV.6: Le joint sans colle [7].

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Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.3 Optimisation de l’échange de chaleur Les échangeurs de chaleur à plaques sont conçus pour optimiser le transfert de chaleur, car les plaques cannelées fournissent de loin la plus importante surface à travers laquelle la chaleur peut être transférée d’un gaz ou d’un liquide à un autre. Malgré l’importance de cette zone de transfert thermique, les échangeurs de chaleur à plaques sont généralement assez compacts. La conception des canaux assure également une turbulence maximale lors de chaque passage de fluide, ce qui permet d’obtenir une efficacité maximale dans le transfert de chaleur d’un milieu à l’autre.

IV.4 Principe de fonctionnement Un échangeur de chaleur à plaques consiste pour l’essentiel en une série de fines plaques cannelées assemblées et/ou soudées, en fonction des liquides qui circuleront dans les plaques et de l’éventuelle possibilité de séparer les plaques pour une raison quelconque. Les plaques sont ensuite embouties ensemble dans un bâti rigide afin de créer une circulation de flux parallèles. L’un des fluides se déplace dans les canaux impairs, l’autre fluide dans les canaux pairs [6].

31

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.7: Principe de fonctionnement d’un échangeur à plaques FUNKE [6].

IV.5 Conception et fonctionnement des échangeurs à plaques Le cœur de l'échangeur est constitué d'un paquet de plaques avec des ouvertures permettant de faire entrer et sortir les fluides. Ces fluides circuleront entre les plaques, mixées alternativement tête-bêche et créant les turbulences nécessaire à l'échange. L'étanchéité est assurée par des joints en périphérie de la surface d'échange. Le paquet de plaques jointées est monté et compressé dans un bâti via des tiges filetées boulonnées. Pour garantir un transfert thermique maximal, les fluides circulent, en général, à contre-courant dans l'échangeur en mono-passe et multi-passes. Les raccords sont généralement sur le bâti fixe, mais peuvent aussi être sur le bâti mobile pour une circulation en multi-passes ou pour d'autres options. (Voir schémas ci-dessous).

32

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.8: Les composantes d’un échangeur à plaque. 1.

Bâti fixe

2.

Bâti mobile

3.

Pied support

4.

Guide supérieur de plaques

5.

Guide inférieur de plaques

6.

Support du bâti mobile

7.

Tiges filetées, rondelles, boulons

8.

Vis de guides

9.

Manchettes de protection

10.

Joints

11.

Plaques d'échange

12.

Plaque signalétique

33

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.9: Circulation en multi-passes ou pour d'autres options

IV.6 Condenseur à plaques Le condenseur à plaques de conception compacte remplace les encombrantes unités traditionnelles. Les raccordements sur mesure pour d’importants volumes de vapeur, les motifs de plaques spécifiques, la section de passage asymétrique des plaques optimisant le transfert de chaleur et réduisant au minimum la chute de pression, rendent le condenseur à Plaques approprié pour la condensation.

Figure IV.10 : Condenseur à plaques.

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Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.7 Évaporateur à plaques Compact et efficace économiquement, l’évaporateur/condenseur à plaques remplace les grosses unités à film tombant conventionnelles et chères. Ses canaux profonds, ses larges ports et la soudure au laser autorisent l’évaporation sous vide et à basse pression, ainsi que la condensation des systèmes aqueux et organiques.

Figure IV.11 : Évaporateur à plaques.

IV.8 Matériau des plaques Nos plaques standard sont en 1.4404/AISI 316L. En raison de la forte contenance en molybdène, ce matériau est généralement plus résistant à la corrosion et plus résistant aux dégâts des chlorures que le 1.4301 /AISI 304. Les matériaux suivants sont également disponibles : 

1.4301 /AISI 304: fluides non-critiques



1.4539/AISI 904L: la contenance en nickel est telle qu'elle évite au matériau de se fissurer; bon ratio coût/ performance pour des fluides avec un faible taux d'acides ou de chlorures



1.4547/254 SMO: résistance plus élevée aux chlorures et aux acides comparé au 1.4404/AISI 316L

35

Chapitre IV 

échangeur à plaque

Alliage C276 (fortement résistant aux acides et chlorures; par exemple pour l'acide sulfurique concentré)



Titane ASTM B 265 Catégorie 1



Titane-Palladium ASTM B265 Catégorie 11 (matériau de qualité élevée; approprié pour des fluides contenant des chlorures à des températures élevées)



Accessoires Nous disposons des accessoires suivants :



isolations



filtres intégrés



peinture spéciale (ex.: résistant à une ambiance maritime)



bac à condensats



patte de mise à la terre



système de nettoyage en place

Équipement spécial 

bâtis en acier inoxydable ou en revêtement en acier inoxydable



Skid double échangeurs à plaques équipé de vannes et thermostats

Figure IV.12 : Matériau des plaques.

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Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.8.1 Circulation latérale à travers les plaques

Figure IV.13: La circulation des fluides latérale.

IV.8.2 Circulation diagonale à travers les plaques

Figure IV.14: La circulation des fluides diagonale.

37

Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.8.3 Nettoyage de l’échangeur IV.8.3.1 Nettoyage mécanique Desserrer le paquet de plaques, ôter les tirants, déplacez le fond mobile contre le pied et faites glisser les plaques suivant des parts pour permettre de les nettoyer séparément avec une brosse ou de l'eau sous pression. Quand vous utilisez de l'eau sous pression, les plaques doivent être posées à plat pour éviter de la abîmées [11].  N'utilisez jamais de brosse métallique qui pourrait créer des amorces de corrosion des plaques.  Soyez prudent de ne pas endommager les joints et de s'assurer qu'ils sont en bon état avant de les remonter sur l'échangeur.

IV.8.3.2 Nettoyage chimique Le nettoyage des plaques sans démonter les plaques de l'échangeur est possible. Monter un système de nettoyage en place sur les orifices de l'échangeur et faites circuler sur chaque circuit un produit de nettoyage approprié. Assurez-vous de la bonne tenue des plaques et des joints par rapport à ce produit [11].

IV.8.4 Remplacement d’un joint ou d’une plaque IV.8.4.1 Remplacement d’un joint Retirer la plaque de l'échangeur thermique et ôter le joint. Si le joint pose des difficultés à s'enlever, utilisez un pistolet à air chaud au dos de la gorge pour ramollir la colle. Nettoyer la plaque complètement. Toutes traces de vieille colle devraient être enlevées des gorges de joint. Une fois que la plaque est propre, installer un nouveau joint comme décrit au dessus. Installer alors la plaque à sa place d'origine [11].

IV.8.4.2 Remplacement d’une plaque Vérifiez la dénomination de la plaque (paire ou impaire) et la position du joint. La plaque de remplacement devrait avoir la même épaisseur, le modèle, la désignation et le même matériau de joint et sa position d'origine [11].

38

Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.8.4.3 Installation de nouvelles plaques Le nombre de plaques ou leur position peut changer pour permettre d'augmenter la surface ou la configuration interne par le changement du nombre de passe [11].

IV.8.4.4 Stockage des pièces de rechanges a) Plaques Les plaques de rechange devraient être stockées dans leur emballage d'origine et dans un local propre [11].

b) Joints Les joints devraient être stockés dans un secteur abrité de la lumière à une température entre 0° (32°F) et 20°C (68°F). Si les joints sont stockés à une température inférieure à 0°C ils doivent être réchauffés à 0°C avant manipulation. Les joints devraient être stockés de préférence à plat. Si l'endroit de stockage est exigu, les joints peuvent être stockés pliés en deux en veillant à ne pas créer de cassures. Dans tous les cas il est préférable de stocker les joints dans leur emballage d'origine [11].

c) Colle La colle devrait être stockée selon les instructions du fabricant et de la durée de vie du produit (généralement 6 mois) ne devraient pas être supérieur. Généralement la colle est stockée dans un endroit frais et sec [11].

IV.8.4.5 installation des plaques Les plaques doivent être correctement installées pour assurer un paquet de plaques uniforme et un placement correct des joints.

39

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.15: Assemblage des plaques [11].

IV.8.4.6 Serrage manuel des plaques Le paquet de plaques est monté contre le fond fixe. Chaque plaque est déplacée le long du rail supérieur et appuyé sur la plaque précédente. Puis, Le fond mobile est alors poussé en contact avec le paquet de plaques. Le resserrement est fait sur quatre tirants. En fin, En serrant successivement les tirants, la cote de serrage sera atteinte. Il faut que nous ne dépassions jamais la cote minimum, sinon nous endommagerons les plaques. On préconise de serrer l'échangeur à sa cote moyenne avec des joints neufs pour maintenir l'élasticité du joint. À la cote mini, les plaques sont en contact métal sur métal. Alors les tirants restant seront installés et serrés pour assurer la même pression autour du fond [11]

IV.8.4.7 Le test hydraulique Les tests hydrauliques sont effectués pour détecter les fuites éventuelles. Si une fuite apparaît au niveau du témoin de fuite, elle peut être éliminée en resserrant l'échangeur dans la limite des cotes de serrage indiquée sur la plaque de firme. Une fuite importante est le résultat d'un mauvais montage; dans ce cas on ne serre pas l'échangeur. La fuite d'un joint se fait à l'extérieur ou par les témoins de fuite. Pour repérer facilement l'endroit de la fuite, on peut peindre avec de la peinture pour vérifier le joint à cet endroit, il ne

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Chapitre IV

échangeur à plaque

peut pas y avoir des fuites entre deux circuits sauf si le joint du passage de tubulure est abîmé. Même une fissure sur une plaque entraînerait une fuite entre les circuits [11]

IV.9 Quelques notions sur les échangeurs L’échangeur de chaleur est un équipement qui permet d’assurer un transfert de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid sans contact direct entre les deux fluides. Le même fluide peut conserver son état physique (liquide) ou se présenter successivement sous les deux phases : c’est le cas des condenseurs, évaporateurs, bouilleurs, ou des tours de refroidissement. En principe, pour les échangeurs les plus courants dans l’industrie, les deux fluides s’écoulent dans des espaces séparés par une paroi ou cloison à faible inertie thermique au travers de laquelle les échanges se font par conduction. En effet, la chaleur que l’un des fluides cède à la paroi par convection le long de la surface de contact est transférée par conduction et, est cédée à l’autre fluide par convection le long de l’autre face. Le rayonnement n’intervient de manière significative que s’il existe des différences de température très importantes entre un fluide semi-transparent et la paroi. De par leurs différentes applications, les caractéristiques des échangeurs se situent dans une gamme très étendue en encombrement, en puissance échangée, en pression et en température. Les exigences de fonctionnement, les différentes normes imposées par le législateur pour la conception de tels appareils, les technologies ainsi que les matériaux utilisés sont inévitablement variés et difficilement comparables. Il devient donc difficile d’établir une classification rigoureuse sans faire le choix incontestablement restrictif d’un critère. Le plus souvent, les échangeurs de chaleur sont classifiés selon la configuration d’écoulement des fluides considérés et selon leur type de construction.

IV.9.1 Principaux modes d’écoulement des deux fluides On peut distinguer 3 modes d’écoulement différents.

IV.9.1.1 Ecoulement des deux fluides Co-courants Il s’agit d’échangeurs dits à Co-courants où la température de fluide froid ne peut pas être supérieure à la température de sortie du fluide chaud. Les températures des fluides évoluent pendant leur traversée Longitudinale de l’échangeur, à moins que l’un des fluides ne subisse un changement de phase, auquel cas sa température reste constante.

41

Chapitre IV

échangeur à plaque

La Figure I.1 donne l’évolution qualitative de ces températures le long d’un échangeur tubulaire à Co-courants très simple. La longueur de l’échangeur a été portée en abscisse Les températures sont repérées à l’aide d’indices e signifiant entrée et s sortie, 1 désignant Le fluide chaud et 2 le fluide froid.

Figure IV.16: Evolution qualitative des températures dans un échangeur tubulaire Cocourant.

IV.9.1.2 Ecoulement des deux fluides à contre-courants Il s’agit d’échangeurs à contre-courants où Cette disposition est l’une des plus Favorables pour l’échange thermique. De la même façon que précédemment, la longueur De l’échangeur considéré a été portée en abscisse (Figure I.2). Les températures sont Repérées à l’aide d’indices e signifiant entrée et s sortie.

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Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.17 : Evolution qualitative des températures dans un échangeur tubulaire ou à Plaques à contre-courants. L’avantage de l’échangeur à contre-courants sur l’échangeur à Co-courants est de Nécessiter, pour un même flux de chaleur, des surfaces d’échanges plus faibles.

IV.10 Dimensionnement de l’échangeur IV.10.1 Introduction Le domaine de l’intensification des échanges de chaleur a, depuis de nombreuses années, Dépassé le stade du laboratoire et a été largement pris en compte dans les applications Industrielles. Nombre d’échangeurs dans des procédés très divers sont équipés de surfaces D’échange spécialement conçues pour présenter des coefficients d’échange de chaleur élevés et notamment supérieurs à ceux des surfaces d’échange lisses. Les échangeurs à plaques font partie de ces échangeurs sur lesquels est appliquée l’une des techniques visant à intensifier les échanges de chaleur tout en gardant les pertes de charge à un niveau raisonnable.

IV.10.2 Relation fondamentale régissant le transfert de chaleur dans un échangeur La relation bien connue qui relie le flux thermique échangé Φ et l’écart de température Moyen logarithmique DTML s’écrit comme suit: Φ= U.A (DTLM) U : coefficient d’échange global Avec A : surface d’échange pour les échanges de chaleur

43

Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.10.3 Différents types d’échangeurs thermiques On distingue les échangeurs thermiques selon leur forme

IV.10.3.1 Echangeur à tubes en U Définition : un échangeur à tube en U est un échangeur tubulaire qui contiens quatre orifices deux horizontale pour l’admission et l’échappement de l’eau chaude, ils sont relier entre eux par une tuyauterie serpentine. Deux verticaux

pour l’admission et l’échappement de l’eau

froide.

Figure IV.18: Schéma d'un échangeur à tubes en U.

Avantages   

Résiste aux fortes pressions Libre dilatation des tubes et du corps Toutes puissances

Inconvénients Encombrement Prix de revient élevé Débouchage difficile

  

Utilisation    

Eau/eau Eau surchauffée/eau Huile/eau Procès

Tableau IV.1 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur à tubes en U.

IV.10.3.2 Echangeur à faisceau tubulaire horizontal Un schéma typique d'un échangeur tubes calandre (Shell and tubes échanger ou échangeur à tubes et virole) est présenté ci-contre. L'appareil est constitué d'un faisceau de tubes, disposés à l'intérieur d'une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. On ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et améliorent le transfert à l'extérieur des tubes.

44

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.19 : Schéma d'un échangeur tubulaire. A chaque extrémité du faisceau sont fixées des boîtes de distribution qui assurent la circulation du fluide à l'intérieur du faisceau en une ou plusieurs passes. La calandre est elle aussi munie de tubulures d'entrée et de sortie pour le second fluide (qui circule à l'extérieur des tubes) suivant le chemin imposé par les chicanes (voir figure).

Avantages

    

Résiste aux fortes pressions  Pour toutes les puissances  Economique Accepte des grands écarts de  température Peut être utilisé en condensation partielle

Inconvénients

Contraintes sur les tubes Difficulté de nettoyage (multitube) Sensible aux vibrations

Utilisation

   

Eau/eau Vapeur/eau Huile/eau Eau surchauffée/eau

Tableau IV.2 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur tubulaire.

IV.10.3.3 Echangeur à faisceau tubulaire vertical C’est un échangeur tubulaire horizontale sous forme d’un cylindre ; ses faisceaux d’admission et d’échappement des deux fluides sont des tube verticale (deux vers le haut et deux vers le bas).

45

Chapitre IV

échangeur à plaque

Figure IV.20 : Schéma d’un échangeur à faisceaux tubulaire.

Avantages   

Inconvénients

Faible encombrement au sol L'échangeur peut être plein de condensat Parfaitement adapté à l'échange vapeur haute pression/eau

 

Formation de poche d'air Si le volume est supérieur à 100 L, soumis au contrôle des appareils sous pression (CH)

Utilisation  



 

Vapeur HP/eau Eau surchauffée/e au Fluide thermique/ea u Fumées/eau Procès

Tableau IV.3 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur à faisceaux tubulaire verticale.

IV.10.3.4 Echangeur à spirales

Figure IV.21: Schéma d'un échangeur à spirale. Un échangeur à spirales consiste en 2 plaques de métal enroulées de manière hélicoïdale pour former une paire de canaux en spirale. Le diamètre de l'échangeur est relativement grand, avec une surface d'échange maximale d'environ 185 m2 pour un diamètre de 1,5 m, ce qui le place dans la catégorie des échangeurs non-compacts. Il est utilisable pour les liquides visqueux ou pour les mélanges liquide-solide et possède une capacité autonettoyante

46

Chapitre IV

échangeur à plaque

garantissant un encrassement réduit par rapport à l'échangeur à faisceau tubulaire. Son inconvénient c’est qu’il ne peut travailler que dans des plages de températures et de pression limitées.

Avantages

    

Grande surface de contact Large passage Encombrement réduit Excellent condenseur Autonettoyant

Inconvénients

 

Non démontable Ecarts de T limités

Utilisation

  

Eau/eau Vapeur/eau Eau surchauffée/eau

Tableau IV.4 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un Echangeur à spirales.

IV.10.3.5 Echangeur à plaques

Figure IV.22:Schéma d'un échangeur à plaques. L'échangeur à plaques est un type d'échangeur de chaleur qui connaît un usage croissant dans l'industrie. Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides. Le périmètre des plaques est bordé d'un joint qui permet par compression de la structure d'éviter les fuites. Et pour garantir un meilleur transfert de chaleur on utilise des plaques ondulée sur toute sa surface (afin de crée un flux turbulent).

47

Chapitre IV

échangeur à plaque

Le fluide se déplace, par exemple, du coin inférieur gauche vers le coin supérieur droit de la plaque, où un orifice lié à un tuyau lui permet de passer de l'autre côté de la plaque et de sauter une couche du millefeuille (un espace entre 2 plaques) avant de s'écouler à nouveau le long de la plaque suivante. Ainsi chaque fluide ne circule parallèlement à une plaque que tous les 2 espaces. L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et facilement adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/réduire la surface d'échange en fonction des besoins (Attention: la surface ne peut être augmentée de manière infinie à cause de la perte de charge). La surface avec l'extérieur est réduite au minimum, ce qui permet de limiter les pertes thermiques et l'étroitesse de l'espace où circulent les fluides ainsi que le profil des plaques assurent un flux turbulent qui permet un excellent Transfert de chaleur.

Avantages     

Compact Très bons coefficients de transfert Prix compétitifs Peu de pertes thermiques Modulable

Inconvénients    

Faible écart de T possible Régulation Perte de charge importante Pression de travail limitée

Utilisation    

Vapeur BP/eau Eau/eau Huile/eau Eau surchauffée/eau

Tableau IV.5 : Avantages, inconvénients et utilisation d’un échangeur à plaques.

IV.10.4 Transmission de la chaleur dans un échangeur de chaleur La chaleur peut se transmettre d’un corps à un autre par trois modes de transmission d’efférents :

IV.10.4.1 Par conduction La transmission de la chaleur par conduction a leu dans un seul et même corps lorsque Ses parties présentent des températures différentes, ou d’un corps à un autre si ses deux corps ayant des températures différentes sont en contacte.

IV.10.4.2 par convection Ce mode de transmission est propre aux liquides et aux gaz, le médium (liquide ou gaz) entre en mouvement par différence de densité, les parties chaudes étant plus légère et véhiculant la chaleur.

48

Chapitre IV

échangeur à plaque

IV.10.4.3 par rayonnement Les rayons calorifiques se propagent en ligne droite dans l’espace, et émis par un corps à température élevée ils sont absorbés partiellement par les corps plus froids qui forment écran à leur propagation la partie non absorbée est réfléchie d’une façon identique aux réflexions des rayons lumineux par un miroir.

IV.10.5 Mode de transfert de la chaleur  à courant parallèle : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens.  à contre courant : les deux fluides sont disposés parallèlement, mais les courants vont dans des sens opposés,  à courant croisé : les deux fluides sont positionnés perpendiculairement. On distingue deux types de contact entre les fluides  À tête d'épingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans une conduite plus large, que le deuxième fluide traverse. Cette configuration est comparable à un échangeur à courant parallèle sur la moitié de la longueur, et pour l'autre moitié à un échangeur à contre courant.  A contact direct ou à mélange : les deux fluides peuvent être mis en contact comme c'est le cas dans les tours de refroidissement, des buses projetant de l'eau chaude sont disposées sur les parois intérieures de la tour, l'air extérieur admis par le bas s'échauffe et du fait de son changement de densité monte de bas en haut, permettant ainsi de refroidir l'eau.

IV.11 Conclusion De nos jours, par suite de l’accroissement relatif du prix de revient de l’énergie, on recherche dans tous les cas à obtenir le rendement maximal d’une installation pour une dépense d’énergie minimale. C’est pour ça les échangeurs à plaques sont très utilisés dans la géothermie.  Le suivant chapitre présente la problématique et le dimensionnement d’un échangeur

à plaque avec deux solution proposé.

49

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.1 Dimensionnement de l’échangeur à plaque Les données relatives à ce problème sont résumées dans le tableau suivant: Unité 

Etat

---------------------

Eau

Vapeur D’eau

Eau osmose

Eau ultra pure

 Température d’entré

°C

Tfe = 26

Tce = 120

 Température de Sortie

°C

Tfs = 60

Tcs = 70

 Débit

Kg/h

M = 150000

M’= 150000

 Chaleur

kJ/kg.K Cp = 4,22

Cp’= 4,22

Pb = 300

PM= 300

spécifique  Pression

kPa

Tableau V.1 : Propriétés des fluides à l’entrée et à la sortie de l’échangeur à plaque.

V.1.1 Calcul de la Différence de température moyenne logarithmique (DTLM) Tce = température d'entrée côté chaud

Tce

Tcs = température de sortie côté chaud

ΔT1 Tfs

Tfe = température d'entrée côté froid

Tcs ΔT2

Tfs = température de sortie côté froid

Tfe

Δt1= Tce - Tfs = 120 - 60 = 60 °C Δt2= Tcs - Tfe = 70 – 26 = 44 °C Figure V.1 : La Différence de température Moyenne Logarithmique (DTLM)

50

Dimensionnement de l’échangeur à plaque A

H a u t e ur t o t al e

1157

B

L a r ge u r t o t a l e

570

C

L o n gu e u r t ot al e

1100

D

Longueur r ai l por t eur

995

E

Entraxe raccords, vertical

719

F

Entraxe raccords, horizontal

225

G

Hauteur axiale raccords sur sol

204

H

Épai s s eur du bâti f i xe

40

J:

Épaisseur du pack des plaques

350.3

K

Épaisseur du bâti mobile

30

Tableau V.2 : dimensions [mm] de l’échangeur à plaque initial. Connexion Côté chaud

F l => F4 :

Joint moulé élastique, DN 100, EPDM, pour bride PN 16, D1N2633 Coté Froit

F3 => F2 :

Joint moulé élastique, DN 100, EPDM, pour bride PN 16, D1N2633 Nombre des plaques max.: 150

En admettant que les échanges de chaleur au sein de notre échangeur sont adiabatiques, On peut écrire :

On calcule d’abord le débit de chaleur échangé :

51

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.1.2 Calcul des dimensions principales de l’échangeur La figure V.10 présente des valeurs typiques de la vitesse massique écoulement en fonction de la pression de service dans l’échangeur. La section transversale de l’échangeur pourrait être déterminée en utilisant la relation Suivante [9] :

(V.1) Où, W (mm) représente la largeur de l’échangeur (ou de la boîte froide), H (mm) sa Hauteur, N le nombre d’échangeurs et n le nombre de courants. Dans cette expression les débits massiques sont exprimés en (kg/h) et les vitesses massique en (kg/m2.s)

V.1.3 La procédure de calcul On choisit une largeur normalisée parmi les valeurs 300, 430, 555, 635, 900,1000 mm, on Calcule la hauteur H à l’aide de la formule (V.1). A l’aide d’une autre relation empirique fonction du type d’ailettes choisi, on calcule la longueur L de l’échangeur. Si cette longueur est jugée trop grande et encombrante, on reprend les calculs en choisissant D’autres valeurs pour les vitesses massiques de façon à réduire cette longueur. Finalement, on fera appel à d’autres formules empiriques pour calculer les pertes de charge associées à chacun des écoulements et les comparer avec les valeurs admissibles.

52

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

Figure V.2 : Valeurs typiques de la vitesse massique en fonction de la pression de Fonctionnement. La vitesse massique pour chacun des deux fluides peut être lue à partir de la figure. V.10, On aura ainsi :  Pour le Eau osmose (p = 300 kPa) Gf = 17,625 kg/m2.s 

Pour le Eau ultra pure (p = 300 kPa) Gc = 17,625 kg/m2.s

Pour calculer la longueur de l’échangeur, il faut au préalable choisir le type d’ailettes à utiliser. Pour des ailettes perforées (voir figure V.2), on pourrait utiliser la formule [9] : (V.2)

Où, (UA) représente la conductance thermique globale de l’échangeur en (W/°C); les autres grandeurs gardent les mêmes unités que dans la formule (V.1).

53

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

Figure V.3 : types de plaques. Avec:

Gtotal = Gf +Gc = 17,625 + 17,625 = 35.25 Kg/m2.s

(V.3) On aura pour la longueur :

En général, il est recommandé d’avoir une largeur et une hauteur aussi proches l’une de L’autre pour réduire au maximum la section frontale. Nous remarquons dans les calculs cidessus que la longueur est faible et que la hauteur est relativement importante. Nous convenons donc de garder les vitesses massiques et de redistribuer les dimensions de l’échangeur de façon à réduire la hauteur et à augmenter un peu la longueur, ceci est de nature à faciliter le transport de l’échangeur et à favoriser sa stabilité une fois installé. Nous reprenons les formules (V.1) et (V.2) et nous calculons a partir d’un programme matlab pour W = 555,635, 900 et 1000 mm. Les résultats des calculs programme matlab sont : W (mm) 555 635 900 1000

H (mm) 17678 15450 10901,18 98111

L (mm) 559.20 611,20 783,44 263.45

Tableau V.3 : les différent résultat obtenu a partir d’un programme matlab.

54

Dimensionnement de l’échangeur à plaque Nous optons finalement pour les dimensions : 900 x 10901,18x 783,44 et nous calculons Les Pertes de charge à l’aide de la formule empirique suivante [9]:

(V.3) Où, la masse volumique utilisée est une combinaison de la moyenne arithmétique et de la Moyenne géométrique de la masse volumique du fluide entre l’entrée et la sortie de l’échangeur:

(V.4)

a) Définition eau osmose : Désigne une eau traitée par un osmoseur. En aquarium, on parlera d'eau osmose aquarium puisque l'eau, ainsi privée de tous ces sels par un phénomène d'osmose, très précisément en passant au travers d'une membrane d'osmose inverse, est très utilisée en aquariophilie.

b) Définition eau ultra pure : L’eau ultra pure est l’eau qui approche au mieux les niveaux théoriques de la pureté En terme de résistivité, concentrations en matière organique, particules, et bactéries. Ce niveau de pureté peut être obtenu par différentes techniques qui peuvent parfois être Combinées. Certaines de ces techniques sont l’échange ionique, l’osmose inverse, la Distillation et différents types de filtration.

Figure V.4: Répresentation schématique du procédé de déssalement par osmose.

55

Dimensionnement de l’échangeur à plaque Les valeurs des masses volumiques du Eau osmose et du Eau ultra pure à l’entrée et à la sortie de l’échangeur sont données au tableau (V.1). On calcule donc pour les deux fluides: Eau osmose

Eau ultra pure

26

120

957,58

957,58

60

70

ρsortie (kg/m3)

614,47

614,47

Ρm

748,58

748,58

Tentrée (°C) ρentrée (kg/m3) Tsortie (°C)

Tableau V.4 : Les valeurs des masses volumiques de Eau osmose et de Eau ultra pure.

On obtient finalement les pertes de charge : -du côté Eau osmose

-du côté Eau ultra pure :

Ces valeurs des chutes de pression à travers l’échangeur sont à comparer avec des valeurs admissibles dont nous ne disposons pas présentement. Ces valeurs admissibles dépendent surtout de la pression de service. Plus la pression de service est élevée, plus grande sera la chute de pression tolérée.

56

Dimensionnement de l’échangeur à plaque Dans le cas présent, il semble évident que les pertes de charge obtenues sont faibles, et ceci pourrait être en partie imputable à la faible valeur de la longueur de l’échangeur. Une telle situation est loin d’être favorable, car elle signifie qu’on s’éloigne du compromis économique qui correspond à un équilibre entre le coût de l’échangeur et le coût de son exploitation ; pour un tel équilibre la perte de charge doit être très proche de la perte admissible. La procédure utilisée ici pour évaluer les dimensions de l’échangeur n’est Qu’approximative, nous nous en sommes contenté car le temps nous a manqué de trouver une méthode plus élaborée et plus rigoureuse pour le dimensionnement des échangeurs compacts.

V.1.4 Calcul de l’efficacité thermique de cet échangeur

Avec: ηth: L’efficacité thermique Qréel : La quantité de chaleur échangée réel (w) Qmax : La quantité de chaleur échangée max (w) mc : Le débit massique du fluide chaud, (Kg/s) Cpc : La chaleur spécifique du fluide chaud, (J/ (Kg K)) Tce : Température d’entrée du fluide chaud, (°C) Tcs : Température de sortie du fluide chaud, (°C) mf : Le débit massique du fluide froid, (Kg/s) Cpf : La chaleur spécifique du fluide froid, (J/ (Kg K)) Tfs : Température de sortie du fluide froid, (°C) Tfe : Température d‘entrée du fluide froid, (°C)

57

Dimensionnement de l’échangeur à plaque Cmin : Débit thermique unitaire minimale, (w/K)

V.1.4.1 Résultats et interprétations Donc : Qréel= mc Cpc (Tce–Tcs)= mf Cpf (Tfs–Tfe) Qmax= Cmin (Tce–Tfe) Cmin= mc Cpc ou mf Cpf

A.N: Qréel= 41,67 × 4220 × (120 – 70) = 8792370 w = 8792.37 KW Cmin= 41,67 × 4220 = 175847,4 w/K Qmax= 175847,4 × (120 – 26) = 16529655,6w = 16529,655 KW

Donc l’efficacité thermique de cet échangeur est égale à 53%.

La solution technique de plus de ce problème est de faire une étude de régulation des vannes de bouilleurs V.2 Les différentes régulations du processus V.2.1 Régulation de charge Le but de la régulation de charge est de maintenir la pression en sortie d’échangeur à plaque à une valeur bien déterminée.

V.2.1.1 Principe Le critère d’équilibre entre la production et la consommation de vapeur est le maintien de la pression vapeur en sortie de l’échangeur à plaque stable. La rupture de l’équilibre se traduit

58

Dimensionnement de l’échangeur à plaque par un écart, en plus ou en moins, de la pression par rapport à la valeur de consigne. C’est donc bien cette pression qui représente la meilleure grandeur à régler pour la régulation de charge.

V.2.2 Régulation de niveau chaudière En marche normale, la régulation de niveau est du type « 3 éléments », elle prend en compte:  le niveau d’eau dans le réservoir (ballon)  le débit d’eau alimentaire (FT A07)  le débit vapeur (FT B14)

Le débit vapeur sert de consigne pour le débit d’eau, le principe étant d’entrer autant d’eau dans la chaudière que de vapeur produite. La mesure de niveau est utilisée dans ce cas pour la correction de la consigne de débit d’eau. La vanne de régulation d’eau est l’organe de réglage(LCV A07). En cas de défaillance de la mesure de débit vapeur ou débit d’eau, on bascule sur une régulation de niveau un élément prenant en compte la mesure de niveau uniquement. La vanne de régulation d’eau ne devra être mise en automatique que lorsque la pression vapeur sera

V.2.3 Régulations de température de désurchauffe La régulation de température de désurchauffe permet de maintenir la température de vapeur en sortie de surchauffeur à une valeur proche de son point de consigne. Le maintient de cette température se fait par le mélange de la vapeur en sortie de surchauffeur avec de l’eau alimentaire à travers la vanne d’injection d’eau de désurchauffe (TCV A55). Deux boucles de régulation interviennent dans cet asservissement : une première indexée sur la température de vapeur surchauffée en limite de fourniture (TT B16a), une seconde dont l’objectif est de réguler le débit d’eau de désurchauffe en fonction de la charge de la chaudière (TT B16b).

V.3 Les principales technologies d'une boucle de régulation La qualité n’aime pas le désordre. La vapeur distribuée est fabriquée par une chaudière dont la pression de sortie n'est pas forcement la plus adaptée pour la fabrication. De plus, la pression

59

Dimensionnement de l’échangeur à plaque vapeur produite est fluctuante en fonction du pressostat de la chaudière et des autres utilisations dans l’usine. - Choix et stabilité de la pression : Le transport de cette vapeur est de préférence effectué à une pression élevée afin de limiter les pertes de charge et le diamètre de la ligne. L’utilisation, afin d’optimiser le rendement, se fera à la pression la plus basse possible. La transition nécessite la détente de la vapeur grâce à un appareil de contrôle de pression. - Variations de charge : Pour le contrôle d’une température, nous avons besoin d’une puissance très importante au démarrage de l’installation, puis, lorsque le régime est bien établi, les besoins énergétiques sont moindres. Ce serait un énorme gaspillage si un système ne permettait pas le contrôle de la puissance suivant les besoins énergétiques. - Contrôle des perturbations : L’échangeur de votre entreprise, quelle que soit l’énergie utilisée (électricité) demandera une puissance différente en fonction de la température extérieure, du nombre de personnes présentes, si une fenêtre est ouverte ou fermée, ou encore si un bon gâteau est en train de cuire au four. Cet exemple met en valeur l’importance de l’environnement extérieur. La régulation se chargera de moduler la puissance en fonction des perturbations extérieures. La qualité s’obtiendra grâce à la stabilité du procédé et à sa précision. - Stabilité : Les fluctuations sont néfastes à une bonne reproductibilité au niveau de la fabrication. De plus, si celles-ci sont trop importantes, elles peuvent provoquer des arrêts d’installation, et ainsi des baisses de productivités dues à la remise en conformité du système. - Précision : La précision dans le contrôle d’une installation peut être requise afin de prévenir les rebuts, augmenter la qualité de la fabrication, et améliorer le confort. Qualité et automatisation amélioreront le confort des utilisateurs. Enfin, la régulation amènera une grande économie en évitant les gaspillages d’énergie qui sera distribuée en quantité juste nécessaire et suffisante.

60

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

Figure V.5: schéma d’une boucle de régulation.

Figure V.6: La boucle de régulation autonome d’une vanne.

61

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.4 Applications types V.4.1 Régulation de température Régulation d’un fluide primaire d’échangeur comme La vapeur ou l’eau chaude, pour fournir une température secondaire constante. L’application représente la combinaison de la puissance pneumatique et de l’intelligence électronique, sur un sont échangeur de chaleur vapeur /liquide.

Figure V.7: Régulateur de température.

V.4.2 Régulation de pression Pour réguler les lingues de distribution de vapeur, d’eau ou d’air avec précision. Le système représenté est un ensemble pneumatique complet utilisant un régulateur avec une vanne pneumatique et un positionneur. Figure V.8:Régulateur de pression.

V.4.3 Régulation de débit Utilisation combinée avec des débitmètres pour réguler avec précision le débit de vapeur, de gaz ou d’autres fluides. L’exemple montre l’utilisation d’un régulateur électronique piloté à partir d’un transmetteur de

. Le régulateur émet

un signal électrique vers un positionneur. Figure V.9:Régulateur de débit.

62

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V. 4.4 Stockage d’eau chaude Une des applications les plus courantes de la régulation autonome à action directe est la production d’eau chaude ou la vanne de régulation maintient constante la température de l’eau, et la vanne de sécurité protège contre toute température excessive. Les avantages d’un montage unique, le coût, et la fiabilité 365 jours Par an, impliquent que les régulations de Température autonomes soient le meilleur choix Pour ce type d’application.

Figure V.10: Stockage d’eau chaude.

V.4.5 Poste de détente vapeur autonome Le détendeur piloté permet diverses variantes, malgré l’absence d’énergie auxiliaire : Prise d’impulsion interne ou externe, double régulation sur le même organe de réglage, position de repli, commande à distance. La compacité de l’appareil est également un atout supplémentaire.

Figure V.11:détendeur de vapeur.

V.5 L’évapo-condenseur Un évapo-condenseur est un échangeur de chaleur qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud vers un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides. Généralement pour assurer efficacement de cet échange au moins l’un des deux fluides doit être en mouvement (pompes ventilateur). Pour augmenter cet échange, et donc le transfert d’énergie, il peut être fait appel au changement de phase (condenseur, évaporateur bouilleurs (évapo-condenseur…etc.) système utilisé couramment dans les machines thermiques, nous on s’intéresse au dernier exemple bouilleur.

63

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

Faisceaux

Brides pour capteur

Figure V.12: évapo-condenseur utilisés à Cevital.

V.5.1 La mise en service des évapo-condenseur V.5.1.1 Condition de fonctionnement et de conception Les appareils ne doivent pas fonctionner dans des conditions qui ne sont pas celles spécifiées sur la plaque d’identification.

V.5.1.2 Procédures de fonctionnement Avant de faire fonctionner un échangeur , on doit référer aux plans, aux spécifications techniques et aux plaques d’identification pour des instructions spécifique .Il est recommandé de s’assurer du respect des normes ou réglementation en vigueur .Des procédures de démarrage et d’arrêt inappropriés ,particulièrement pour les appareils à plaque fixe, peuvent provoquer des fuites au niveau des joints de brides ou des soudures tube /plaque.

V.5.2 Procédures de démarrage La plupart des échangeurs à faisceau démontable doivent être mis en service en établissant en premier lieu la circulation du fluide froid, suivi d’une circulation progressive du fluide chaud. Durant le démarrage, toutes les vannes de dégazage doivent être ouvertes jusqu’à ce que les circuits soient purgés de l’air. Pour les appareils à faisceau fixe, les fluides doivent être introduits de façon à minimiser la différence de dilatation entre la calandre et les tubes.

64

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.5.3 Procédure d’arrêt Pour les appareils à faisceau démontable, les unités doivent être arrêtées en stoppant progressivement le flux du fluide chaud et ensuite le fluide froid. S’il est nécessaire de stopper la circulation du fluide froid, le flux de fluide chaud doit également être arrêté. Pour les appareils à faisceau fixe, l’unité doit être arrêtée de manière à minimiser la différance de dilatation entre la calandre et les tubes. Quand le système est arrêter, toutes les unîtes doivent être vidangées quand il existe une possibilité des dommages dus au gel ou à la corrosion. Pour prévenir les coups de bélier, les condensats doivent être vidangés des réchauffeurs vapeur durant le démarrage ou l’arrêt à l’aide de purgeur adaptés. Pour réduire la rétention d’eau après la vidange, le côté tubes des condenseurs doit être soufflé à l’aire comprimé.

V.5.4 Chocs de température Normalement, les échangeurs ne sont pas sujets à des brusques fluctuations de température. Le fluide chaud ne doit pas être introduit brusquement dans l’unité quand celle-ci est froide ; de même il ne faut pas introduire le fluide froid dans l’échangeur quand l’unité est chaude.

V.5.5 L’économiseur Dans cette partie on utilise l’échangeur thermique à plaque car il ne permet de faire un échange de chaleur entre deux liquides comme il y est dans notre cas et dans une plage de température qui nous convient (100° C-130°C).

V.5.6 Le capteur Un capteur est l'élément d'un appareil de mesure servant à la prise d'informations relatives à la grandeur à mesurer. Le capteur est l'élément capital et le premier maillon d'une chaîne de mesure. Il a pour rôle de saisir et de transformer la grandeur physique à mesurer et le contenu de son information en une autre grandeur physique accessible aux sens humains ou aux maillons suivants de la chaîne d'acquisition.

65

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.5.7 Le capteur différentiel de niveau(LICA) Le capteur de niveau qu’on utilise est du type piézorésistif. Sa résistance est en fonction de la pression qu’il subit. La pression étant liée à la hauteur de fluide par la relation P = ρgh, il peut être utilisé pour une mesurée niveau. Avec ρ : masse volumique du fluide ; g : gravitée ; h : la hauteur du fluide dans le réservoir.

V.5.8 Les vannes de régulation La plupart des réglages se ramènent à des réglages de débits de fluides au moyen d'appareils de robinetterie créant une perte de charge sur la circulation du produit. Les vannes sont des organes comportant un orifice de dimension variable. Elles permettent le réglage des débits de fluides. Le débit est proportionnel à la racine carrée de la perte de charge entre l’amont et l’aval de la vanne.

V.5.8.1 La vanne tout ou rien C’est une vanne de régulation qui deux position soit ouverte, soit fermer.

V.5.8.2 La vanne analogique (4-20mA) C’est une vanne de régulation qui a une clapette en papillon son ouverture et fermeture soit selon le signale qu’elle reçoit (a 4mA elle se ferme et son ouverture est proportionnel par rapport au signale quelle reçoit jusqu’à 20mA elle s’ouvre à 100%.

V. 6 Le GRAFCET de la cogénération du process (Eau-Vapeur) V. 6.1 Définition du GRAFCET : Le GRAFCET est un modèle de représentation graphique des comportements successifs d’un système logique, préalablement défini par ses entrées et ses sorties. On a pu le programmé a partir d’un programme appeler ABB et le vérifier et constaté qu’elle marche

66

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V. 6.1.1 Les entrées E00_EAUVAP: Etape 00 de Eau Vapeur E01_EAUVAP: Etape 01 de Eau Vapeur E02_EAUVAP: Etape 02 de Eau Vapeur E03_EAUVAP: Etape 03 de Eau Vapeur E04_EAUVAP: Etape 04 de Eau Vapeur E05_EAUVAP: Etape 05 de Eau Vapeur E51_EAUVAP: Etape 51 de Eau Vapeur E52_EAUVAP: Etape 52 de Eau Vapeur E53_EAUVAP: Etape 53 de Eau Vapeur E54_EAUVAP: Etape 54 de Eau Vapeur E55_EAUVAP: Etape 55 de Eau Vapeur E99_EAUVAP: Etape 99 de Eau Vapeur

V. 6.1.2 Les Transitions T01_EAUVAP:(MAR_EAUVAP: Ordre de Marche Eau Vapeur et CDD_EAUVAP: Condition Démarrage Eau Vapeur) T02_EAUVAP: ([PW7_RUN: Réponse de Marche PW 7 et CHOIX_PW07: Sélection Pompe PW7] ou [PW8_RUN: Réponse de Marche PW8 et CHOIX_PW08:Sélection Pompe PW8]) et (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur) et (DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur) T03_EAUVAP : ([PW4_RUN: Réponse de Marche PW4 ou CHOIX_PW04:Sélection Pompe PW4] et [PW5_RUN: Réponse de Marche PW5 ou CHOIX_PW05:Sélection Pompe PW5] et [PW6_RUN: Réponse de Marche PW6 ou CHOIX_PW06:Sélection Pompe PW6] et [ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur] et [DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur]) T04_EAUVAP: (([LICA622_SMA: Mode Auto Régulateur LICA622 et LICA642_SMA: Mode Auto Régulateur LICA642 et LICA662_SMA: Mode Auto Régulateur LICA662] ou [CHOIX_LIGNE2:Sélection Ligne 2 ]) et ([ LICA722_SMA: Mode Auto Régulateur LICA722 et LICA742_SMA: Mode Auto Régulateur LICA742 et LICA762_SMA : Mode Auto Régulateur LICA762] ou [CHOIX_LIGNE1:Sélection Ligne 1]) et ([ ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur]) et ([DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur]))

67

Dimensionnement de l’échangeur à plaque T05_EAUVAP: ([TICA601_SMA: Mode Auto Régulateur FI604 ou CHOIX_LIGNE2: Sélection Ligne 2] et [ TICA701_SMA: Mode Auto Régulateur FI704 ou CHOIX_LIGNE1: Sélection Ligne 1] et [ PICA504_SMA: Mode Auto Régulateur PICA504] et [ TICA516_SMA: Mode Auto Régulateur FI518] et [ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur] et [DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur]) T06_EAUVAP: (FINDEM_EAUVAP: Fin Démarrage Eau Vapeur) ARR1_EAUVAP: (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur ou DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur ou MODE_AUTO_EAUVAP: Permet Passage Auto Organes Eau V) ARR2_EAUVAP: (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur ou DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur ou MODE_AUTO_EAUVAP: Permet Passage Auto Organes Eau V) ARR3_EAUVAP: (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur ou DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur ou MODE_AUTO_EAUVAP: Permet Passage Auto Organes Eau V) ARR4_EAUVAP: (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur ou DEF_GEN_EAUVAP: Défaut Général Eau Vapeur ou MODE_AUTO_EAUVAP: Permet Passage Auto Organes Eau V) T51_EAUVAP: (ARR_EAUVAP: Mémoire Ordre Arrêt Eau Vapeur et FINSTOP_EAUVAP: Fin Arrêt Eau Vapeur) T52_EAUVAP: Mesure de débit EAUV T53_EAUVAP: Mesure de débit EAUV T54_EAUVAP: Mesure de débit EAUV T55_EAUVAP: Mesure de débit EAUV T56_EAUVAP: (FINSTOP_EAUVAP: Fin Arrêt Eau Vapeur) T_FIN_EAUVAP: fin de la boucle

V. 6.1.3 Le programme du Grafcet de la cogénération du process (Eau-Vapeur)

68

Dimensionnement de l’échangeur à plaque E00_EAUV

T51_EAUV

T01_EAUV

E51_EAUV

E01_EAUV Marche Pw7 § PW8

T52_EAUV T02_EAUV

ARR1_EAU

E52_EAUV

E02_EAUV Mar PW4, PW5, PW6

E00_EAUV

T53_EAUV E53_EAUV

T03-EAUV

ARR2_EAU T54_EAUV

E03_EAUV

E00_EAUV

LICA 8×2 § LICA7×2

T04-EAUV

ARR3_EAU T55_EAUV

E04_EAUV Désurchauffe

E54_EAUV

E00_EAUV

T05_EAUV

ARR4_EAU

E55_EAUV

T56_EAUV

E05_EAUV Fin Marche

E00_EAUV

T06_EAUV

E99-EAUV

T-FINEAUV Figure V.13: Le GRAFCET de la cogénération du process (Eau-Vapeur). 69

Dimensionnement de l’échangeur à plaque

V.7 Conclusion Après l’étude nous préconisons deux solutions : -

A l’aide d’une routine écrite sous MATLAB, nous avons pu calculer à partir d’une largeur normalisée la longueur et la hauteur de l’échangeur, pour ajouter des plaques en plus, qui correspondent à l’augmentation de la surface de puissance échangée entre les deux fluides, pour éviter en fin de faire le bypass avec des pompes.

-

Nous avons déduit une solution technique, c’est de faire une régulation au niveau des vannes de bouilleurs par le biais d’une automatisation (Grafcet).

70

Conclusion Générale

Conclusion : La réalisation de ce projet au sein de la société cevital, nous a permis de connaitre de près la démarche de résolution des problèmes, surtout dans un projet aussi complexe que la mise en œuvre d’une unité industrielle. En effet, tout au long de cette période, nous avons fait face à de nombreux problèmes ; les difficultés majeures étant la compréhension du système et l’établissement des séquences de fonctionnement. Le projet proposé par la société cevital sur l’étude de dimensionnement d’un échangeur au niveau de la cogénération, nous a permis d’avoir une vague aide sur le monde du travail et qui nous a appris que les éléments fondamentaux d’un projet quelconque sont la fiabilité, le bon rendement, la disponibilité des moyens, et tout cela pour un coût relativement faible pour concurrencer. Dans ce travail, on a étudié l’échangeur de chaleur à plaque pour pouvoir solutionné le problème du manque de débit à la sortie de l’échangeur, dont on préconise deux solutions : -

La première consiste à ajouter des plaques en plus, qui correspondent à l’augmentation de la surface de puissance échangée entre les deux fluides.

-

La deuxième est de faire une régulation au niveau des vannes de bouilleurs avec un système automatisé qui commande tous le site de Kapp. En fin, nous souhaitons que ce travail qui a demandé beaucoup du temps et d’effort

apportera également un plus au milieu industriel, aux étudiants, aux ingénieures et aux techniciens. Pour conclure, ce stage a été très bénéfique, il m’a permis d’approfondir mes connaissances concernant la régulation des systèmes d’asservissement et surtout prendre conscience de son importance fondamentale. J’ai également pu m’initier aux méthodes de la programmation calcul dans l’environnement MATLAB et Grafcet avec un logiciel appelé ABB. C’était aussi un moyen pour découvrir le sens de la responsabilité, la conscience du travail, l’esprit de collaboration et le respect mutuel entre les collègues de travail.

71

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Auteur: Heat exchangers «country ALTEC international, Inc » André BONTEMPS, Alain GARRIGUE, Charles GOUBIER, Jacques HUETZ, Christophe

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L. Wang, B. Sundén, « Applied Thermal Engineering », Division of Heat Transfer, Lund Institute of Technology, Sweden 23 (2003) 295–311

72

[16]

L’auteur Y .Jarnnot « Transferts thermiques », Paris, 2003

73

I.1 Principe de calcul thermique d’un échangeur :

Figure 1 : Principe de calcul thermique d’un échangeur. [9] D’après la figure le principe de calcul thermique d’un échangeur de chaleur est comme suit :

I.1.1 Les données nécessaires : Données géométriques, de fonctionnement et propriétés physiques des fluides;

I.1.2 La phase thermique proprement dite Comprenant des calculs géométriques (sections de passage des fluides, diamètres hydrauliques, etc.), puis des calculs de transfert de chaleur et de pertes de pression, nécessitant tous les deux l’appel à des corrélations adéquates;

I.1.3 Les résultats Sous forme succincte (puissance thermique échangée et pertes de pression) ou sous forme plus détaillée (valeurs locales des coefficients d’échange, nombres adimensionnels caractéristiques, etc.). Le calcul thermique d’un échangeur de chaleur peut être abordé de deux façons algorithmiques très différentes:

a) Par un mode simulation Connaissant la géométrie complète de l’appareil, ainsi que les deux fluides et leurs conditions d’entrée, on désire connaître les conditions de sortie des fluides (température, titre de vapeur), d’où la puissance thermique échangée;

74

b) Par un mode vérification Connaissant les deux fluides et la puissance thermique à transférer entre eux, et ayant par expérience une idée approximative de la géométrie de l’appareil, on cherche à savoir si cet appareil est bien adapté ou non au service demandé. Pour cela, l’algorithme fournit un critère de surdimensionnement (ou de sous dimensionnement) sous la forme d’un rapport représentant le trop (ou le manque) de surface d’échange pour le service demandé.

I.2 Méthodes de calcul analytique Principes de calcul Plusieurs critères sont à considérer pour le dimensionnement d’un échangeur suivant son utilisation. La puissance thermique est toujours la principale préoccupation, mais le choix définitif de l’échangeur peut dépendre d’autres paramètres tels que : Les pertes de pression ; - l’encombrement ; - la masse ; - l’encrassement ; - une température de paroi à ne pas dépasser ; - les matériaux utilisés ; - etc. Deux types de calcul thermique sont envisageables pour la caractérisation de l’échangeur :

a. La détermination de la surface d’échange S connaissant la puissance échangée et les températures d’entrée et de sortie des deux fluides;

b. La détermination des températures de sortie des fluides, connaissant leurs températures d’entrée et la surface d’échange. [9]

I.3 Calcul d’un échangeur de chaleur à plaque Que ce soit un échangeur à plaque ou à tubes coaxiaux, les équations mise en jeu sont similaires. Seules les résistances thermiques changent. C’est la situation ou deux fluide circulent l’un par rapport à l’autre afin d’assurer des transferts d’énergie.

75

Les deux fluides froid (indice f) et chaud (indice c) peuvent circuler parallèlement dans le même sens ou en sens contraire (contre courants). La variation de température dans le fluide est alors très différente. Avec

Tfe : température d’entrée du fluide froid Tfs : température de sortie du fluide froid Tce : température d’entrée du fluide chaud Tcs : température de sortie du fluide chaud

Figure 2 : Echangeur à courant parallèle

Figure 3 : Echangeur à contre courant

I .3.1 Les équations d’échange Pour ces échangeurs (plaque ou tube) à contre courant ou à même sens le flux Échangé pour un élément s’écrit : =

Pour un échangeur plan

76

Ou

Pour un échangeur tube

K et k étant respectivement les conductances surfaciques ou linéiques de l’échangeur.

I.3.2 Méthode du DTLM (Différence de Température Logarithmique Moyenne) Bilan d’un élément de la surface dS



quantité de chaleur perdue par le fluide chaud



quantité de chaleur gagnée par le fluide froid

 (- pour un écoulement à contre courant et + pour un écoulement à courant de même sens)



flux transmis par la plaque du fluide froid

Le bilan s’écrit :

En exprimant, à partir des 2 deuxièmes termes, l’écart de température on obtient :

77

Le flux échangé pour l’élément dS S’écrivait

En remplaçant A par sa valeur on obtient le flux total échangé

∆TLM est la moyenne logarithmique des températures. Pour les échangeurs réels La méthode du DTLM si elle est simple à mettre en œuvre demande la connaissance des quatre températures... or seules les deux températures d’entrée des fluides sont généralement connues. [10]

I.3.3 Méthode du NUT (Nombre d’Unité de Transfert) Principe Cette méthode s’appuie sur la notion d’efficacité. En effet si l’on peut calculer ou mesurer l’efficacité d’un échangeur, connaissant le flux maximal échangeable Ømax, on peut obtenir le flux réel échangé Le flux maximum échangeable s’écrit :

78

Si les deux fluides ont des débits et chaleur massique différentes ce flux est alors

Le flux réel s’obtient alors simplement par

Généralement, les débits et natures des deux fluides sont connues. Les températures d’entée des deux fluides sont connues. Reste à estimer l’efficacité de l’échangeur. Son calcul est simple pour échangeurs simples (tube, plan, etc....) ; par contre pour des formes complexes son calcul devient impossible. Seule l’expérimentation est susceptible de donner des résultats fiables.

Le terme

est appelé nombre d’unité de Transfert (NUT) et est sans dimensions.

Des abaques issus de calculs théoriques ou d’expérimentations permettent d’obtenir L’efficacité de l’échangeur et donc le flux réel échangé. [10]

79

Organigramme : DEBUT

LIRE (P1, P2, T1, CP1, )

CALCUL CpM

CALCUL

K

CALCUL

n

CALCUL

NON

OUI

ECRIRE T2,CpM

80

CpM : étant la valeur Moyenne de la chaleur spécifique du mélange. Cp1 : chaleur spécifique partielle.

81

La présentation des étapes et des transitions du GRAFCET en [FBD] : Les entrés en [FBD] : E00_EAUVAP [FBD] @ E00_EAUVAP

X

E01_EAUVAP [FBD] @ E01_EAUVAP

X

E02_EAUVAP [FBD] @ E02_EAUVAP

X

E03_EAUVAP [FBD] @ E03_EAUVAP

X

E04_EAUVAP [FBD] @ E04_EAUVAP

X

E05_EAUVAP [FBD] @ E05_EAUVAP

X

E51_EAUVAP [FBD] @ E51_EAUVAP

X

E52_EAUVAP [FBD] @ E52_EAUVAP

X

82

E53_EAUVAP [FBD] @ E53_EAUVAP

X

E54_EAUVAP [FBD] @ E54_EAUVAP

X

E55_EAUVAP [FBD] @ E55_EAUVAP

X

E99_EAUVAP [FBD] @ E99_EAUVAP

X

Les Transitions en [FBD] : T01_EAUVAP [FBD] @MAR_EAUVAP @CDD_EAUVAP

RESULT

AND 1

T02_EAUVAP [FBD] @PW7_RUN @CHOIX_PW07

AND 1

OR 3

@PW8_RUN @ CHOIX_PW08

AND 2

AND

@ARR_EAUVAP @DEF_EAUVAP

RESULT 4

83

T03_EAUVAP [FBD] @PW4_RUN

OR

@CHOIX_PW04

1

@PW5_RUN

OR

@ CHOIX_PW05

2

@PW6_RUN

OR

@CHOIX_PW06

3 AND

RESULT

@ARR_EAUVAP @DEF_GEN__EAUVAP

4

T04_EAUVAP [FBD] @

LICA622 _ SMA

@

LICA642 _ SMA

@

LICA662 _ SMA

OR AND

2 1

@ CHOIX_LINGNE2

@

LICA722 _ SMA

@

LICA742 _ SMA

@

LICA762 _ SMA

OR AND

4

AND RESULT

3 5

@ CHOIX_LINGNE1

@ARR_EAUVAP @DEF_GEN__EAUVAP

84

T05_EAUVAP [FBD] @ TICA601 _ SMA

OR

@ CHOIX _ LINGNE2

@ TICA701 _ SMA @ CHOIX_LINGNE1

1

OR 2

@ PICA504 _ SMA AND

@ TICA516 _ SMA

RESULT

@ ARR_EAUVAP @ DEF_GEN_EAUVAP

3

T06_EAUVAP [FBD] RESULT

@ FINDEM_EAUVAP

ARR1_EAUVAP [FBD] @ARR_EAUVAP @DEF_GEN_EAUVAP

RESULT

AND

@MODE_AUTO_EAUVAP

1

ARR2_EAUVAP [FBD] @ARR_EAUVAP @DEF_GEN_EAUVAP

RESULT

AND

@MODE_AUTO_EAUVAP

1

ARR3_EAUVAP [FBD] @ARR_EAUVAP @DEF_GEN_EAUVAP

RESULT

AND 1

@MODE_AUTO_EAUVAP 85

ARR4_EAUVAP [FBD] @ARR_EAUVAP @DEF_GEN_EAUVAP

RESULT

AND

@MODE_AUTO_EAUVAP

1

T51_EAUVAP [FBD] @ARR_EAUVAP @FINTOP_EAUVAP

RESULT

AND 1

T52_EAUV [FBD] RESULT

1

T53_EAUV [FBD] RESULT

1

T54_EAUV [FBD] RESULT

1

T55_EAUVAP [FBD] RESULT

1

T56_EAUVAP [FBD] RESULT

@ FINTOP_EAUVAP

T_FIN_EAUV [FBD] RESULT

1

86