Description du procédé PAC

4.2.1. Principe

L’évaporateur sous vide, modèle E700 de la société Led Italia utilisé dans le cadre de nos travaux de recherche est un matériel industriel de faible capacité de traitement (30 l/h). Cet évaporateur sous vide fonctionne grâce à une technique de type Pompe À Chaleur (PAC).

Le principe d’une PAC est un transfert d’énergie, d’une source froide vers une source chaude par l’intermédiaire des différentes transformations subies par un fluide

frigorigène R22 chloro-difluoro méthane de formule chimique CHClF2 :

– dans l’évaporateur, le frigorigène se vaporise à basse pression et puise de la chaleur à la source froide ;

– le compresseur comprime le frigorigène à l’état gazeux pour l’amener à un niveau de pression tel que la température de saturation correspondante soit plus élevée que celle du fluide à chauffer ;

– dans le condenseur, le frigorigène passe de l’état gazeux à l’état liquide fournissant ainsi la chaleur de condensation à la source chaude ;

– le détendeur fait chuter la pression du liquide pour l’amener à la pression d’évaporation.

4.2.2. Procédé

Le pilote E700 utilisé est un évaporateur concentrateur qui exploite l’effet combiné de la technologie du vide et de la pompe à chaleur, pour réaliser à basse température l’évaporation de l’eau.

Le schéma de procédé est présenté en Figure 22. La pompe à chaleur effectue, par l’intermédiaire d’un circuit frigorifique, la compression K01 et la détente du réfrigérant (TV01 et TV02), elles fournissent respectivement aussi bien les calories nécessaires à l’évaporation du liquide que les frigories nécessaires à la condensation des vapeurs. L’effluent circule en boucle sur la chambre d’évaporation grâce à la pompe G02. L’échange thermique se produit dans un échangeur de chaleur multitubulaire E01 placé à l’extérieur de la chambre d’évaporation, la condensation des vapeurs a lieu dans l’échangeur de chaleur à serpentin E03.

L’ébullition de l’eau se produit à une température de 36°C sous une pression d’environ 58 mbar.

Une dépression est produite par les éléments suivants : une pompe centrifuge G01, un éjecteur J01 et le réservoir de réception du distillat D02.

Le distillat, prélevé du réservoir de réception D02, est envoyé à l’éjecteur J01 par la pompe G01 pour créer la dépression dans la chambre d’évaporation D01. La variation de pression produite par l’éjecteur de type Venturi permet d’extraire le distillat condensé dans E03. Le réservoir de réception du distillat est muni d’un serpentin dans lequel circule le réfrigérant E04. Le serpentin est utilisé pour refroidir le distillat jusqu’à 25 °C afin d’améliorer le rendement de l’éjecteur (la température élevée favorise la création de bulles d’air sur la roue de la pompe, c’est le phénomène de cavitation) et permettre de dissoudre à nouveau les gaz incondensables tel que l’air.

L’alimentation de l’effluent de procédé, comme l’évacuation du résidu, s’effectue respectivement par les vannes pneumatiques VP01 et VP02. L’ouverture et la fermeture de la vanne d’alimentation sont pilotées par un contrôle de niveau LT07 situé dans la chambre d’évaporation. L’évaporation de l’eau s’effectue à niveau constant de liquide dans le bouilleur. L’ouverture de la vanne d’évacuation du résidu (effluent concentré) est gérée par une temporisation.

L’évaporation dans la chambre est du type « flash ». Dans ce procédé, l’évaporation est obtenue par détente du liquide. Le liquide introduit dans l’enceinte est à une température supérieure à la température de saturation. Ce liquide a tendance à s’évaporer dès son introduction dans l’enceinte. Cette auto-vaporisation est appelée « flash » compte tenu de son caractère rapide et violent.

4.2.3. Cycle thermodynamique du fréon

Le cycle thermodynamique de la pompe à chaleur [Blanc-Féraud, 1981] [Le Goff, 1981] est représenté par le cycle du fréon sur la Figure 25 qui décrit la température en fonction de l’entropie. L’évaporation et la condensation de l’eau s’effectue de manière isotherme à 36°C sous la pression de 58 mbar.

Figure 25 : Cycle du fréon [Le Goff, 1981].

Les températures de saturation du fréon sont présentes dans le cycle thermodynamique pour le mécanisme d’évaporation et condensation.

Le cycle thermodynamique du frigorigène R22 débute au point A, la vaporisation du fluide s’effectue sur le palier AB, à la température de saturation de 20°C et 9,4 bars. C’est la source froide de l’échange entre le cycle fréon et l’effluent à traiter. Les frigories sont amenées au condenseur de vapeur E03 et à la réserve de distillat E04. Le point B correspond à la vapeur saturante du frigorigène R22 qui est en équilibre avec le liquide bouillant. A partir de B, commence un segment BC, ascendant vers la droite, qui correspond à la surchauffe de la vapeur produite par le compresseur de fréon K01. Le point B est sur l’isobare d’aspiration du compresseur à 9,4 bars, le point C se trouve sur l’isobare de refoulement du compresseur à 20 bars (en vapeur surchauffée à 80°C). La compression ne suit pas l’isentrope (verticale du diagramme) à partir de B puisque la vapeur n’est pas un fluide parfait.

T (°C)

S (cal/°C)

Liquide bouillant Vapeur saturante

AB : Vaporisation du fréon BC : Phase de compression CD : Désurchauffe DE : Condensation du fréon EF : Refroidissement FA : Détente K01 E03/04 E01 E02 Détente TV01/02

T (°C)

S (cal/°C)

Liquide bouillant Vapeur saturante

AB : Vaporisation du fréon BC : Phase de compression CD : Désurchauffe DE : Condensation du fréon EF : Refroidissement FA : Détente K01 E03/04 E01 E02 Détente TV01/02 Évaporation Condensation A _B C D E F Refroidissement _Compression

S (cal/°C)

Liquide bouillant Vapeur saturante

AB : Vaporisation du fréon BC : Phase de compression CD : Désurchauffe DE : Condensation du fréon EF : Refroidissement FA : Détente Évaporation Condensation A _B C D E F Refroidissement _Compression

S (cal/°C)

Liquide bouillant Vapeur saturante

AB : Vaporisation du fréon BC : Phase de compression CD : Désurchauffe DE : Condensation du fréon EF : Refroidissement FA : Détente K01 E03/04 E01 E02 Détente TV01/02

Dans la partie CD, c’est la désurchauffe de la vapeur du fréon R22 qui débute dans l’échangeur multitubulaire. Le palier DE représente la condensation du frigorigène. Les calories sont ainsi amenées dans l’échangeur multitubulaire E01, côté extérieur des tubes (source chaude).

La partie EF est le refroidissement du liquide, la chaleur est dissipée par une réfrigération au moyen d’air (échangeur aérotherme E02). La détente est effectuée en FA sur le liquide à l’aide des détendeurs TV01 et TV02, dans le but de faire décroître la température (ainsi que la pression) et permettre de boucler le cycle.

4.2.4. Moyens de mesure

L’instrumentation de capteurs est spécifiquement disposée sur l’appareillage pour permettre la lecture des températures et des pressions en divers points des circuits respectifs de fréon et de l’effluent. Le compteur de puissance et le débitmètre vont donner les résultats, lors des divers essais.

Mesure de température

Les températures sont mesurées par des sondes Pt100 en Platine. Ces sondes ont été étalonnées et assurent une précision de l'ordre de 1°C.

Les sondes de température sont situées aux points suivants (cf. Figure 24) : – bouilleur TT04 ;

– chambre d’évaporation TT03 ;

– aspiration du compresseur frigorifique ; – refoulement du compresseur frigorifique ; – réserve distillat TT05.

Mesure de pression

Un transmetteur de pression ATM (échelle 0-1 bar absolu) étalonné donne la dépression dans la chambre d’évaporation. La précision est de 1 % pleine échelle. L’effet thermique de dérive est absent dans la gamme de 0 à 70 °C.

Deux transmetteurs Huba control (échelle 0-25 bars) sont installés pour les mesures à l’aspiration et le refoulement du compresseur sur le circuit de fréon.

Mesure de débit

Le débit mesuré est le débit d’alimentation : débitmètre électromagnétique Danfoss Magflow 2500 DN6 étalonné (échelle 25,4 à 1018 l/h) ; la précision de la mesure est de 1 % du débit lu.