Méthodologie pour développer un réseau d'échangeurs de chaleur flexible, contrôlable et rentable

Methodology for developing flexible, controllable and cost-effective heat exchanger network

• Auteur / Autrice : Rupu Yang
• Direction : Assaad Zoughaib, Cong-Toan Tran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Reneaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Cong-Toan Tran
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaële Théry Hétreux, Mahmoud M. El Halwagi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transformation de Laplace

Analyse séquentielle

Temps -- Mesure

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Réseau d'échangeurs de chaleur

Optimisation

Synthèse

Temps de réponse

Multi-Période

Heat exchanger network

Optimization

Synthesis

Time response

Multi-Period

Résumé

Cette thèse a pour objectif de considérer les performances dynamiques d’un réseau d'échangeurs de chaleur (HEN) lors de sa conception. Nous définissons le temps de transition (TT) comme un indicateur pour mesurer les performances dynamiques lorsque le HEN subit des variations opérationnelles. La thèse vise à résoudre deux problèmes: comment estimer le TT d'un HEN donné; et comment réaliser la conception pour optimiser le coût du HEN, ce qui nous permet d'obtenir un compromis entre le coût et le TT. En nous appuyant sur la transformation de Laplace, nous développons une formulation mathématique pour déterminer TT, et cela conduit à deux modèles dynamiques. Le modèle de base nécessite le processus de transformation inverse de Laplace. Le deuxième modèle, plus avancé, est basé sur des développements purement analytiques afin d’éviter la difficulté numérique de la transformation inverse de Laplace. Les méthodes de synthèse suivent l'approche séquentielle multi-période pour itérer différentes structures, puis le TT peut être calculé pour chaque HEN optimisé en coût. Nous proposons deux méthodes d'itération: BINLP pour le petit cas et IINLP pour les problèmes de moyenne à grande échelle. Les méthodes de synthèse et les modèles dynamiques HEN ont été appliqués avec succès dans cinq études de cas à travers différents chapitres, et nous constatons que le TT varie énormément selon les structures testés. Il est important de prendre en compte le temps de transition dans le problème de conception de HEN, et nos méthodes proposées peuvent servir d'outil de présélection pour aider à trier des HEN en termes de coût et de performances dynamiques.

This thesis pioneers to consider the time response in the heat exchanger network (HEN) multi-period design problem. We define the transition time (TT) as an indicator to measure the dynamic performance when HEN gets an operational period changeover. The thesis aims to solve two problems: how to measure the TT of a given HEN; and how to carry out synthesis work to optimize the HEN cost, allowing us to obtain a trade-off between the cost and TT. Relying on the Laplace transform, we develop a mathematical formulation to reach TT, leading to two dynamic models. The basic one requires the inverse Laplace transform process during the calculation. The improved dynamic model follows the analytic way, and free of the concern of the numerical difficulty of the inverse Laplace transform. The synthesis methods follow the sequential approach to iterate various structures and then TT can be calculated for each cost-optimized HEN. We propose two iteration methods: BINLP for the small case and IINLP for medium-large scale problems. The synthesis methods and HEN dynamic models were applied successfully in five case studies through different chapters, and found that TT varied hugely for different designs in each case. It is important to consider the time response in the HEN design problem, and our proposed methods can act as a pre-selection tool to help sort out those designs in terms of the cost and dynamic performances.