Waste heat recovery in aluminum plants by means of Stirling engines

Parmi tous les secteurs industriels, celui de la production d’aluminium est l’un des plus importants consommateurs d’énergie : les processus les plus modernes nécessitent une quantité d’énergie électrique comprise entre 11 et 15 MW h par tonne d’aluminium produite. La plus grande partie de cette énergie est nécessaire pour réaliser le processus d’électrolyse qui produit de l’aluminium (c’est-à-dire, le procédé Hall-Héroult). La moitié de cette énergie est perdue sous forme de déchets thermiques. Tous les producteurs d’aluminium financent des projets de recherche privés pour trouver des solutions qui améliorent l’efficacité énergétique de leurs usines. Ceci est réalisé par l’analyse des sources de pertes thermiques et par la suite par la valorisation de ces pertes. Par exemple, la chaleur gaspillée dans l’usine d’aluminium peut être utilisée aux fins de chauffage urbain ou pour produire de la puissance électrique. Dans les deux cas, un effet utile (c’est-à-dire, l’énergie thermique ou électrique) est produit à travers une source de chaleur qui serait autrement perdue. Le déchet thermique qui a été largement analysé dans la littérature scientifique est la libération des gaz d’échappement à haute température depuis l’usine d’aluminium vers l’environnement. Plusieurs solutions pour récupérer cette forme d’énergie thermique ont été proposées. Mais ces solutions n’ont pas été appliquées en raison de leurs coûts d’investissement élevés. Ceci est la raison pour laquelle d’autres formes de récupération et de conversion des rejets thermiques doivent être étudiées. Il est bien connu qu’une grande différence de température se produit entre les parois de la cuve électrolytique (dans lesquelles l’aluminium est produit) et l’air ambiant ; plus précisément, la surface de paroi a une température comprise entre 200 ◦ C et 400 ◦ C, tandis que l’air est à la température ambiante. Par conséquent, des phénomènes de transfert de chaleur tels que la convection naturelle et le rayonnement thermique apparaissent. Aujourd’hui, les technologies en mesure de récupérer et de convertir cette forme de chaleur (comme par exemple, les échangeurs de chaleur installés sur la paroi latérale) ne sont pas suffisamment au point, donc davantage de recherche dans ce domaine est nécessaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier la récupération des déchets thermiques et leur conversion en puissance utile. Après une brève introduction, une revue de la littérature existante est réalisée afin de mettre en évidence les sources de gaspillage thermique dans le procédé de Hall-Héroult et les technologies disponibles pour les récupérer et les valoriser en respectant les critères de sécurité de l’usine. Il est donc proposé de récupérer les déchets thermiques de la paroi de la cuve par rayonnement (et, dans une moindre mesure, par conduction) et de les convertir en puissance utile à travers des machines Stirling. La récupération des déchets et leur conversion ont été traitées par l’auteur dans deux articles scientifiques présentés dans cette thèse. Les derniers chapitres de la thèse sont dédiés à la discussion de ce projet de recherche et aux travaux futurs.

Name thesis:degree_name

Ph. D.

Level thesis:degree_level

Doctorat

Discipline thesis:degree_discipline

Génie mécanique

Grantor dc:publisher

Université de Sherbrooke

Year dc:date.issued

2018

Author dc:creator

• Cascella, Franco

Advisors dc:contributor.advisor

• Sorin, Mikhail
• Teyssedou, Alberto

• Récupération des déchets thermiques
• Équations de conservation
• CFD
• Analogie électrique
• Circuit équivalente
• Moteur Stirling
• Thermal wastes recovery
• Conservation equations
• Electrical analogy
• Equivalent circuit
• Stirling engine

Licence dc:rights.uri

• http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/

Language dc:language.iso

en

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11143/14477

OAI identifier oai:identifier

oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/14477