Bilan énergétique des opérations

Etablir un bilan énergétique d'une opération de procédé ou d'un ensemble d'opérations est une des tâches essentielles du concepteur ou de l'exploitant. Il permet de mesurer le rendement énergétique d'un équipement, de déterminer le besoin en énergie d'une opération ou son besoin en refroidissement, ou encore de conforter une mesure de débit ou de consommation.

Les formes d'énergie

Le premier principe de la thermodynamique établi que l'énergie ni ne se crée ni ne disparaît; elle se transfère ou change de nature.
L'énergie dans les opérations de procédé prend les formes suivantes:

 - chaleur (Q)

énergie thermique échangée au cours de l'opération, dans un échangeur de chaleur par exemple

- travail (W)

énergie mécanique apportée dans l'opération (pompage par exemple) ou produite (turbine par exemple) par l'opération

 - enthalpie (H)

contenu énergétique, essentiellement thermique, de la matière impliquée dans l'opération. C'est sa variation (ΔH) qu'il est utile de connaître dans le bilan énergétique. Dans un procédé continu c'est la différence entre l'enthalpie des flux de sortie et celle des flux d'entrée (en J/sec); dans un procédé discontinu, ce peut être la différence d'enthalpie entre la fin et le début d'opération (en J/cycle).

 - énergie cinétique (Ec)

les flux procédé comme tout objet matériel possède une énergie cinétique propre s'ils sont animés d'une vitesse. Sa valeur est calculée par la relation:

Ec = m.v²⁄2

Cette énergie cinétique peut être fournie par le travail d'une machine (ventilateur, pompe, ...) ou acquise par une variation de pression (variation d'enthalpie).

 - énergie potentielle (Ep)

c'est l'énergie acquise pour vaincre un champ de forces. Dans les opérations de procédé il s'agit le plus souvent du champ gravitationnel. Autrement dit, c'est l'énergie pour amener un fluide de masse m à une certaine altitude (h). Sa valeur sera alors calculée par la relation Ep = m.g.h

Elle sera le plus souvent issue du travail d'une pompe ou d'un élévateur.

L'énergie totale de la matière (E_tot) est la somme de l'enthalpie, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle:

 Ces différentes formes d'énergie sont liées entre elles par la relation:

Dans un procédé continu dont le régime est stationnaire, le terme d'accumulation est par définition nul. De même dans un procédé discontinu dont le cycle d'opération ramène l'installation dans son état initial exact, il n'y a pas plus d'accumulation d'énergie que de matière.

Exemples de bilan énergétique

Les étapes d'un bilan énergétique

1- établir un schéma

Le procédé étudié peut être complexe. Tous les flux devant intervenir dans le bilan doivent être identifiés. Un schéma de circulation des fluides est la meilleure base de travail.

2- définir le périmètre du bilan

Selon la définition du secteur sur lequel le bilan sera établi, certains flux peuvent êtres inclus ou d'autres exclus du bilan. La méthode recommandée pour les identifier est graphique; elle consiste à partir du schéma de circulation des fluides et à tracer une ligne continue et bouclant sur elle-même, coupant tous les flux matière ou énergie souhaités dans le bilan. Tous les flux croisant le périmètre du bilan ainsi tracé doivent être pris en compte, les autres qu'ils soient à l'intérieur ou à l'extérieur du périmètre sont exclus du bilan.

3- faire un bilan matière

Pour la matière comme pour l'énergie: rien ne se perd, rien ne se crée ... un bilan énergétique réussi doit être fait sur la base d'un bilan matière exact.

4- déterminer les enthalpies, vitesse et élévations des flux de matière

L'objectif est de déterminer pour chaque flux de matière, enthalpie, énergie cinétique et potentielle.
Concrètement, les énergies cinétique et potentielles sont généralement si faibles comparées à l'enthalpie et aux flux de chaleur, que le bilan énergétique se résume souvent à un bilan enthalpique des flux de matière et un bilan des flux de chaleur.

5- déterminer les flux de chaleur et de travail

Les flux de chaleur et de travail peuvent être mesurés ou bien calculés de manière indirecte (débit de fluide chauffant, débit de combustible, ...).

6- vérifier la cohérence du bilan

Si tous les flux ont été mesurés ou évalués de manière indirecte, les énergies entrant doivent être égales aux énergies sortant du système. Un écart de bilan peut être l'indice d'une donnée erronée ou de pertes (les gains d'énergie ne sont réalistes que dans les procédés opérant à température inférieure à l'ambiante).