Analyse d’Exergie et recherches des différentes possibilités d’amélioration

Dans les sections précédentes, l'optimisation des paramètres de design et de fonctionnement est effectuée sur la base de la loi de conservation de l'énergie (première loi de la thermodynamique) et l'évaluation économique. Dans cette section, l’analyse exergétique est réalisée afin d’étendre les travaux d’optimisation à travers la recherche d’autres moyens plus efficaces d’utilisation de l’énergie. Ainsi, cette analyse est appliquée en se basant sur les résultats d’optimisation obtenus précédemment pour chaque capacité de production (5, 10, 100 et 1000 m³/jour). Comme il a été

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mentionné, l’analyse exergétique est basée sur la deuxième loi de la thermodynamique et permet une identification réussie des emplacements d’utilisation inefficace de l’énergie et de sa dégradation. Aussi, dans cette section, l’analyse exergétique est limitée à l’unité évaporation.

L'équation générale du bilan d'exergie est exprimée par l'équation (20):

∑ ̇ ∑ ̇ ∑ ̇ (20) l'indice «k» fait référence à un emplacement spécifique dans le processus et l'indice «0» exprime les propriétés à l'état de référence (conditions ambiantes ou atmosphériques). Le flux spécifique d’exergie ψ (exprimée en kJ/kg) pour chaque flux de matière est exprimé par l'équation (22):

(22)

Dans le cas des flux de matière incompressibles, le flux d’exergie spécifique est modélisé par l'équation (23):

[ ( ⁄ )] (23)

Où : ‘C’ symbolise la capacité thermique spécifique (exprimée en kJ/kg/K). Les équations du bilan d’exergie pour chaque effet sont modélisées comme suit :

Pour le premier effet (i = 1):

L'efficacité exergétique de chaque composant de l’unité de dessalement pourrait être définie comme le rapport entre le taux d'exergie en entrée et en sortie. L'efficacité exergétique est donc définie par l'équation (27):

̇ ̇ (27)

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Le taux du potentiel d'amélioration (exprimé en kW) est proposé par [8]. Ce paramètre est utilisé pour évaluer l'amélioration maximale du taux d'exergie pouvant être atteinte, c'est-à-dire le taux de destruction d'exergie lorsque les pertes en terme d'exergie (ou la génération d'entropie) sont minimisées. Le taux d'amélioration (IP) est calculé pour chaque composant à l'aide de l'équation (28):

̇ ̇ (28)

Les résultats présentés dans le tableau 10 montrent que les valeurs les plus élevées de destruction d’exergie (environ plus de 20% par rapport à la destruction d’exergie totale dans l'unité d'évaporation) sont obtenues dans le premier effet. En effet, les taux de destruction par exergie du premier effet pour les capacités de production 5, 10, 100 et 1000 m³/jour représentent respectivement 20.4, 24.2, 30.4 et 26.3%.

Pour les autres effets, le taux de destruction par exergie diminue avec le nombre d’effets où son pourcentage se situe entre 7,44 et 18,33% par rapport au taux de destruction d’exergie total. Pour l’échangeur de récupération de chaleur HX1 (eau distillée / eau de mer), le taux de destruction d’exergie représente, respectivement, environ 3.42, 3.81, 4.34 et 4.46% pour les différentes capacités de production de 5, 10, 100 et 1000 m³/jour, tandis que le pourcentage de destruction d’exergie pour l’échangeur HX2 ne dépasse pas 1.12% de la destruction totale d’exergie.

Les figures 18, 19 et 20 illustrent; respectivement; le changement de destruction d’exergie (kW), l’efficacité exergétique (%) et le taux du potentiel d'amélioration (kW) pour chaque composant dans l’unité de dessalement (effet 1, 2… n et échangeurs de chaleur ‘HX1’et ‘HX2’) par rapport à la différence de température entre le premier et le dernier effet dans l'unité d'évaporation / condensation (∆T_t = T₁-T_n).

Les résultats illustrés dans la figure 18; montrent que le taux de destruction d’exergie pour chaque effet augmente avec la différence de température ∆T_t, mais il diminue légèrement pour les échangeurs de chaleur HX₁ et HX₂. En effet, lorsque ∆Tt augmente de 16 à 40 ° C, le taux de destruction de l’exergie pour le premier effet augmente d’environ 30, 19, 41 et 48% pour les unités de dessalement ayant une capacité de production nominale de 5, 10, 100 et 1000 m³/jour, respectivement, et il augmente de plus de 120% pour les autres effets restants pour les différentes capacités de production considérées. Les variations de l'efficacité exergétique par rapport à ∆Tt sont représentées à la figure 19. Il est évident d'après cette figure que l'efficacité exergétique décroît généralement pour tous les composants lorsque ∆Tt augmente et qu'elle diminue très

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Tableau VII.10. Résultats de calcul de destruction d’exergie pour l’unité d’évaporation Production

Figure VII.19. Variation du taux de destruction d’exergie pour différents composants de l’unité d’évaporation en fonction de la variation de la différence de température entre le premier et le

dernier effet

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Figure VII.20. Variation de l’efficacité exergétique pour différents composants de l’unité d’évaporation en fonction de la variation de la différence de température entre le premier et

le dernier effet

Figure VII.21. Variation du potentiel d’amélioration pour différents composants de l’unité d’évaporation en fonction de la variation de la différence de température entre le premier et le

dernier effet

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légèrement pour le premier effet et l'échangeur de chaleur HX₁. L’influence du changement de

∆Tt sur le potentiel d'amélioration est illustrée dans la figure 20. Comme le montre cette figure, le potentiel d'amélioration des échangeurs de récupération de chaleur HX₁ et HX₂ décroît très légèrement lorsque ∆T_t augmente. Les valeurs les plus élevées du potentiel d'amélioration sont obtenues pour le premier effet pour toutes les capacités de production considérées, et il a approximativement les mêmes valeurs pour les effets restants. En outre, la figure 20 montre que le potentiel d'amélioration de tous les effets augmente lorsque ∆T_t augmente.

De manière générale, le taux de destruction d’exergie (irréversibilité ou génération d'entropie) pourrait être minimisé en adoptant de petites valeurs de différence de température entre le premier et le dernier effet; cependant, cela entraîne une diminution des différences de température entre les fluides échangeant la chaleur à l'intérieur de chaque effet (∆Ti) et entraîne simultanément une réduction des coefficients de transfert de chaleur globaux et, par conséquent, une augmentation de la surface de transfert de chaleur requise à l'intérieur de chaque effet. En outre, la diminution du taux de destruction d’exergie par une diminution de ∆Tt entraînera une diminution du rapport de pression du compresseur et, par conséquent, une réduction de la consommation d'énergie spécifique.