Simulations pour analyser les pompes à chaleur haute température

L’AIT Austrian Institute of Technology se positionne comme un pont entre la recherche et l’industrie, afin de réduire les freins face aux nouvelles technologies. Un exemple actuel est l’optimisation de pompes à chaleur haute température pour des processus industriels. L’objectif est de réduire fortement l’empreinte carbone des entreprises en exploitant directement la chaleur perdue existante.

Pour l’AIT, les simulations jouent un rôle central, aussi bien pour la conception du circuit frigorifique que pour l’optimisation de l’éjecteur utilisé.

Réduire l’empreinte carbone des sites industriels

Les pompes à chaleur domestiques sont déjà largement répandues. Dans l’industrie en revanche, la chaleur de procédé est encore souvent produite au gaz naturel. Pour changer cette situation, l’AIT s’engage à optimiser des pompes à chaleur haute température pour ces processus industriels.

Elles permettent, en complément du gaz, d’utiliser directement la chaleur perdue existante pour le chauffage. Cette chaleur peut être portée à un niveau d’énergie plus élevé puis réintroduite dans les processus. Cela permet d’économiser de l’énergie.

La technologie haute température est encore relativement récente. Peu d’entreprises industrielles osent franchir le premier pas. C’est pourquoi des projets pilotes convaincants, avec des installations démonstratrices, sont indispensables pour prouver leur efficacité.

Comprendre le fonctionnement de l’éjecteur grâce aux simulations

L’AIT a adopté une approche de recherche classique visant d’abord à comprendre entièrement le système avant d’en développer une version améliorée. Les analyses détaillées ont été réalisées avec le soutien de simulations afin d’obtenir une compréhension approfondie du fonctionnement de l’éjecteur.

Fonctionnement de l’éjecteur | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Des modèles de simulation robustes et précis analysent la multiphase

Plusieurs phénomènes physiques complexes apparaissent simultanément : d’une part, des vitesses supersoniques entraînant une turbulence élevée et, d’autre part, un processus d’évaporation. Pour concevoir efficacement de tels éjecteurs, il a été nécessaire de développer des modèles de simulation aussi robustes que précis pour étudier la multiphase.

L’AIT s’est intéressé à la fois au calcul du circuit frigorifique de la pompe à chaleur et à la conception détaillée de l’éjecteur. Le fluide frigorigène liquide est accéléré à vitesse supersonique à l’entrée primaire. Le fluide gazeux est aspiré par l’entrée secondaire. Après le mélange des deux flux, une augmentation de pression se produit dans le diffuseur.

Pour étudier ce phénomène, des analyses d’écoulement approfondies ont été effectuées avec Ansys Fluent. Le comportement de l’éjecteur a ainsi pu être étudié afin de l’optimiser en fonction des résultats obtenus.

L’intégration des données matériaux est déterminante dans les simulations

Lors des premières étapes, des problèmes de stabilité sont apparus dans les simulations. Les ingénieurs de l’AIT ont donc échangé de manière intensive avec les experts de CADFEM et des représentants de l’industrie. Les discussions ont été essentielles pour clarifier le traitement interne des données matériaux dans Fluent. L’objectif n’a plus été uniquement d’améliorer le workflow de simulation, mais aussi d’optimiser considérablement l’intégration des données matériaux.

Au départ, des bases de données externes simplifiées contenant des “lookup tables” ont été utilisées. Leur résolution limitée pour les modèles matériaux du fluide frigorigène dans l’éjecteur a provoqué des problèmes de stabilité, car deux phases devaient être prises en compte, une phase liquide et une phase vapeur.

Analyse des vitesses avec une connexion améliorée à la base de données | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Les “User Defined Real Gas Models” résolvent les problèmes de stabilité

Ensuite, les bases de données matériaux ont été intégrées directement avec une résolution bien supérieure. Cela a permis d’améliorer la stabilité tout en augmentant à la fois la précision et la vitesse de calcul. Grâce aux échanges avec le support CADFEM, les ingénieurs de l’AIT ont acquis une meilleure compréhension du traitement interne des matériaux dans Fluent. Une solution optimisée a ainsi été développée conjointement avec CADFEM, utilisant les “User Defined Real Gas Models” pour intégrer les bases de données matériaux.

Analyse de la fraction de vapeur et de la Vitesse | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Une briqueterie réduit ses émissions de CO₂ de 88 %

Un projet commun entre l’AIT et l’entreprise  Wienerberger visait à développer et construire une briqueterie entièrement décarbonée. Les ingénieurs de l’AIT ont principalement soutenu l’entreprise au moyen de simulations, d’une part pour l’électrification du four et d’autre part pour l’intégration optimale d’une pompe à chaleur réutilisant la chaleur perdue du four pour le processus de séchage.

La nouvelle usine de Wienerberger est désormais en service. Les premières mesures montrent que la consommation d’énergie primaire a été réduite d’environ 30 %, tout en permettant de diminuer les émissions de  CO₂ de 88  pour cent.

La technologie développée par l’AIT est facilement transférable. D’autres industries utilisent des fours similaires. Les pompes à chaleur haute température peuvent donc être implémentées avec des adaptations limitées. L’économie massive de CO₂ démontrée suscite aujourd’hui un fort intérêt parmi les entreprises industrielles autrichiennes, qu’il s’agisse des secteurs de l’acier, de la céramique, du papier ou de la pharma.

Regardez l’interview avec Manuel Schieder (Junior Research Engineer, AIT Austrian Institute of Technology GmbH):