Comment économiser de l’énergie / du CO2, de l’eau et de l’argent dans les fonderies HPDC

Avec l'utilisation d'un système de récupération de chaleur, env.  3 000 t de CO2 peuvent être économisées en 10 ans.

Efficacité des ressources Comment économiser de l’énergie / CO2, Eau et argent dans les fonderies HPDC

Auteur / Editeur: Timo Ehnert / Nicole Kareta

Lors de la construction d’une nouvelle fonderie, les aspects de l’équipement technique du bâtiment ne doivent pas être négligés, car de grands potentiels d’économies peuvent être cachés ici. Le potentiel à exploiter est également montré dans l’étude de cas d’une fonderie HPDC.

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Avec l'utilisation d'un système de récupération de chaleur, env.  3 000 t de CO2 peuvent être économisées en 10 ans.
Avec l’utilisation d’un système de récupération de chaleur, env. 3 000 t de CO2 peuvent être économisées en 10 ans.

Il y a quelque temps, Project Engineering GmbH a été chargé d’évaluer le concept de la planification existante du système d’eau de refroidissement dans une fonderie de moulage sous pression nouvellement planifiée avec 4 cellules de coulée de 2 800 t. Ce que nous avons trouvé, c’est une machine de moulage sous pression de 4 x 2800 t avec une puissance thermique totale de 1250 KW. La différence de température de l’arrivée / retour d’eau de refroidissement a été fixée à 5 K, ce qui nécessite un débit massique de 214 m3/ h. Ce débit massique était censé être généré par des pompes non régulées, la pression de service a été fixée à 6 bars. L’élimination de la chaleur doit être effectuée avec une tour de refroidissement ouverte, dont le circuit est connecté par un échangeur de chaleur et équipé d’un système de refroidissement d’urgence. Les mesures de récupération de chaleur n’étaient ni prévues ni prises en compte. Ce type de configuration est assez courant dans de nombreuses fonderies et a été établi à une époque où l’énergie était très bon marché.

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Fig. 3: Simulation CFD du préchauffage du matériau.

Avant de présenter la version optimisée, une brève introduction aux bases physiques et techniques est nécessaire:

1. Flux de chaleur et différence de température

Le flux de chaleur entre deux fluides est représenté par la formule suivante:
Flux thermique (Q) = débit massique (m) * capacité thermique spécifique (cp) * différence de température (∆t)
La capacité thermique spécifique (cp) peut être considérée comme constante dans ce système, car elle ne varie pas de manière significative dans la plage de température considérée. Par conséquent, les facteurs indirectement proportionnels débit massique (m) et la différence de température (∆t) restent des variables de contrôle.

Cadeaux gratuits: D’une part, la différence de température de « froid à chaud » est générée pour ainsi dire gratuitement par la machine de coulée qui doit être refroidie. D’autre part, il faut faire face au débit massique qui doit être généré mécaniquement par les pompes consommatrices d’énergie et donc générer des coûts.

C’est donc payant et il est nécessaire de réduire le débit massique. Ceci peut être réalisé en augmentant la différence de température (∆t) en modifiant les points de consigne. En outre, il n’est ni économique ni écologique de laisser la chaleur évacuée monter inutilisée dans une tour de refroidissement, alors qu’en hiver, par exemple, la fonderie est chauffée en plus. C’est pourquoi le raccordement d’un système de récupération de chaleur est recommandé.

Cette illustration montre la configuration d'origine.
Cette illustration montre la configuration d’origine.

(Source: Project Engineering GmbH / Timo Ehnert)

2. Résistances dans le système de tuyauterie par rapport à la pression d’écoulement

Dans le cas d’un débit massique généré par une pompe, la pression dans un système hydraulique est quadratique par rapport au débit massique. Toutes les résistances dans les tuyaux, vannes, échangeurs de chaleur, etc. ont un rapport quadratique par rapport à la pression d’écoulement. Par conséquent, il est important de maintenir la pression du système à un niveau bas en utilisant des tuyaux, des vannes et des échangeurs de chaleur bien dimensionnés.

3. Efficacité d’une pompe

En examinant divers diagrammes de performances concernant la consommation d’énergie / la pression et le débit massique, nous reconnaîtrons que les pompes ont une plage de fonctionnement optimale très étroite. Par conséquent, il est nécessaire de sélectionner des pompes appropriées, de les faire fonctionner au « point de meilleur rendement » et de les ajuster en conséquence via des régulateurs de vitesse si le circuit de refroidissement change, par exemple si des machines de coulée individuelles sont éteintes. Compte tenu de tout cela, le concept proposé et mis en œuvre par Project Engineering ressemble à ceci:

Couverture du livre blanc: slm

La différence de température de l’arrivée / retour d’eau de refroidissement a été fixée à 10 K (au lieu de 5 K auparavant), ce qui nécessite un débit massique de seulement 107 m3/ h (au lieu de 214 m3/ h avant). Ce débit massique est généré par des pompes contrôlées, la pression de service a été fixée à 4 bars (au lieu de 6 bars auparavant). La chaleur est toujours évacuée par une tour de refroidissement ouverte, mais son circuit est connecté à un système de récupération de chaleur et au circuit de refroidissement de la machine via des échangeurs de chaleur. La récupération de chaleur est réalisée via le système de ventilation / chauffage du hall et a été conçue à l’épreuve du gel. Un chauffage et un refroidissement d’urgence ont été mis en œuvre dans le circuit de récupération de chaleur.

Cette illustration montre la configuration optimisée.
Cette illustration montre la configuration optimisée.

(Source: Project Engineering GmbH / Timo Ehnert)

Les quatre aspects suivants sont donc les plus importants pour obtenir un refroidissement économe en énergie:

  • 1. Utiliser la répartition maximale de la température possible dans le cycle de refroidissement
  • 2. Utilisez la pression la plus basse possible dans votre système de circulation
  • 3. Faites toujours fonctionner les pompes au point de rendement le plus élevé
  • 4. Utilisez des pompes à vitesse variable

Résultat

Dans cet exemple, les économies possibles sur 10 ans s’élèvent à 1 000 000 EUR [+ EUR680,000 in addition when using heat recovery] et env. 2 000 t CO2 économies grâce à une consommation électrique moindre + env. 3 000 t CO2 économies grâce au système de récupération de chaleur.

Les coûts d’investissement pour un nouveau bâtiment de fonderie sont à peu près comparables pour les deux solutions, car les différences de coût individuelles, par exemple les pompes plus petites par rapport aux commandes de pompe, sont globalement équilibrées.

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