REPÈRES KtrtKt,`> hauffage de fluides par tubes à passage de

KtrtKt,'>
REPÈRES
Mots-clés :
hauffage
Chauffage
des fluides,
Tubes à
à
de
passage
de
nnr
nc-StPrhnna
par ILuc-Stéphane
Le chauffage
des
des
tubes
SCHRCFfFR
SCHRDER,
fluides
à passage
par
de
tubes
passage de
courant,
Effet Joule.
courant
SnritP
Pnrmillamr
Société Parmilleux
est
adaptée
applications
par
la méthode
courant
solution particulièrement
certaines
fluides
La technologie TPC (Tubes à Passage de Courant)
une
permet de réaliser des installations de réchauffage
de fluide compactes et de très faible inertie ther-
à
industrielles
mique.
Cette technologie est particulièrement bien adaptée au réchauffage de fluides thermosensibles
contraignantes.
et/ou encrassants.
Les tubes à passage de courant permettent notamment d'éliminer les points froids et de réduire la
taille de certaines installations.
INTRODUCTION
Principe
Le fluide (liquide ou gaz) circule à l'intérieur
d'un tube
métallique relié au secondaire bas voltage d'un transformateur de puissance. Le chauffage est produit par effet Joule
dans la paroi du tube qui sert donc à la fois de contenant,
de résistance et de surface d'échange.
u
Fluide
....
1. Principe du tube à passage de courant.
La puissance électrique du tube de passage de courant est
donnée par :
2
P = U.I P = R.I P = U
1
R
The technology is particularly suitable for heating
heat-sensitive fluids or those with a tendency to
foui other types of installations.
Specific advantages of current injection tubes
include the elimination
of cold spots and their
reduced volume requirements.
U2
R
avec
Current injection tube technology may be applied
in compact fluid heating installations
with a very
low level of thermal inertia.
(1)
tension entre les extrémités du tube
intensité du courant dans le tube
résistance du tube.
avec
d
débit massique du fluide
H (Ts)
enthalpie du fluide à la température de
sortie TS
H (TJ
enthalpie
du fluide
à la température
d'entrée Te.
La résistance électrique du tube est donnée par :
R=p.-
Comparaison
L
s (2)
avec
r
L
Un tube à passage de courant (TPC) peut être assimilé à
un échangeur électrique. Dans un échangeur classique, on
utilise un fluide chaud pour réchauffer un fluide froid au
travers d'une surface séparant les deux fluides. Dans un
résistivité du tube
longueur du tube
S section du tube.
La puissance cédée au fluide est :
P=d. [H (T,) -H (TJ]
REE
N, 4
Avril1999
avec un échangeur
(3)
TPC, l'échange se fait entre le fluide à réchauffer et l'électricité, «fluide » un peu particulier circulant directement
dans la surface d'échange.
Chauffage
2. Profil de
Paroi
échangeur
où
température dans un
échangeur classique
fluide-fluide.
T
Tc
PIC \ Tpf
tubes
à passage
de courant
hf
coefficient d'échange fluide paroi
e
épaisseur du tube
conductivité
thermique du tube.
Chauffage à des températures élevées
La température de travail, côté process d'un échangeur
Tf
Côté fluide
chaud
classique, est limitée par la température du fluide chaud
disponible (vapeur, eau, fluide caloporteur). Un TPC peut
par contre être prévu pour une température de tube de
1000'C ou 1 100'C.
Côté fluide
à chauffer
La densité de flux de chaleur dans un tel échangeur est
donnée par :
avec
par
Sans rentrer dans le détail des calculs, on peut déduire
assez directement des constats ci-dessus les avantages du
TPC par rapport aux échangeurs classiques.
Tc
avec
de fluides
0 = K. (T - Tf)
coefficient global d'échange
K
(4)
Te température du fluide chaud
Tf
température du fluide froid
(J-l
1
e
fi
h
(5)
Possibilité de fortes densités de chauffe
Alors que, dans un échangeur classique, la densité de
flux est limitée d'une part par la température du fluide
chaud disponible, d'autre part par le coefficient d'échange,
il sera possible d'installer sur un TPC des densités de
chauffe très élevées (jusqu'à 300 ou 350 W/em'). En effet,
il n'y a plus de limitation de température (voir paragraphe
1.2.1) et le coefficient d'échange, toutes choses égales par
ailleurs côté fluide de process, est bien meilleur dans le cas
du TPC que dans le cas de l'échangeur classique.
hr
Â.
hr X,
hf
Chauffage de fluides thermosensibles
A l'opposé, on peut aussi concevoir un TPC bénéficiant
coefficient d'échange côté fluide chaud
d'une faible densité de chauffe de façon à obtenir un très
faible écart entre la température du fluide à la paroi (tem-
hf
coefficient d'échange côté fluide froid
e
épaisseur de la paroi
conductivité
thermique de la paroi
pérature du film Tp,) et la température de veine du fluide
(Tf). Un échangeur classique essayant de travailler dans les
mêmes conditions présentera une inertie thermique très
3. Profil de
Paroi TPC
température
dans un TPC
importante qui rendra sa régulation assez difficile.
Chauffage de fluides encrassants
Lorsque le fluide à réchauffer est susceptible de former
des dépôts, ces dépôts sur la paroi de l'échangeur se com-
pe
Extérieur
portent comme une épaisseur supplémentaire de paroi. Les
dépôts encrassants présentant généralement une conductivité thermique très mauvaise, le coefficient d'échange global va rapidement s'effondrer.
Dans le cas d'un échangeur classique, la limitation sur la
température du fluide chaud aboutira rapidement à un
effondrement de la densité de chauffe. Dans le cas d'un
Côté fluide
à chauffer
TPC, on dispose d'une marge très importante sur la température du tube et on pourra donc préserver la densité de
chauffe.
Pour un tube de faible épaisseur dans lequel l'électricité
est répartie uniformément, la densité de flux peut s'écrire :
0 = K. (Tpe Tf)
avec pour coefficient global d'échange :
(6)
Comparaison
Un réchauffeur
K=l
h,. 2. X
avec un réchauffage
par thermoplongeurs
(7)
à thermoplongeur
est constitué
d'un
corps contenant le thermoplongeur constitué lui-même
d'épingles formées de gaines métalliques contenant une
résistance isolée de cette gaine par un isolant.
REE
N, 4
Avril 1999
PROCÉDÉS
ÉLECTRIQUES
DE CHAUFFAGE
DES FLUIDES
4. Réchauffage d'un fluide
par thermoplongeur.
in0n
-rrr
DN
Pour augmenter la vitesse de circulation du fluide le long des épingles, le thermoplongeur est habituellement équipé de chicanes.
Résistance
R
iimmmmm
Cas des fluides thermosensibles
La présence d'obstacles dans l'écoulement du
fluide : chicanes, extrémités des épingles, va générer des phénomènes de type décollements de veine
1
<*M
5. Utilisation d'une canne chauffante
qui vont conduire à des mauvais coefficients
d'échange locaux générant eux-mêmes des points
de surchauffes locales qui rendent l'utilisation des
Canne chauffante d = 19
thermoplongeurs peu adaptée au réchauffage des
fluides thermosensibles.
La suppression des obstacles et/ou la diminution
des densités de chauffe conduirait à des réchauffeurs présentant une inertie thermique peu compatible avec une régulation précise de la température. Di
TPC Di
d
= 20
0
(7Di
Pertes de charge dans le réchauffeur
A densité de chauffe égale et coefficients
(CD
d'échange identiques, un TPC qui bénéficie d'une
section de circulation cylindrique présentera des
pertes de charge beaucoup moins importantes
qu'un réchauffeur classique à thermoplongeurs.
Même l'utilisation de cannes chauffantes haute
performance ou à haut flux conduira au mieux à
une section annulaire de passage du fluide génératrice, à vitesse de fluide identique,
Fluide
De
6.
6. Vue
Vue en
en coupe
coupE TPC et circulation autour d'une canne chauffante.
TPC
Canne
Section
cylindrique
=
314
mm'Section
=
314
mm'c)
de= 27,6
Section
cylindrique
=
Frottements
surpérimèi
périmètre: 62,8 mm Frottements
surpérimètremouillé= 146,4 mm
Frottements
sur
de pertes de
charge élevées.
En effet, toutes choses égales par ailleurs, le coefficient
Les technologies de construction de ces échangeurs flui-
d'échange fluide/paroi dépend de la vitesse du fluide et à
vitesse de fluide identique une section annulaire présente
des pertes de charge beaucoup plus élevées qu'une section
de/ga2 chauds rendent très difficile, voire impossible la
de/gaz
suppre
suppression de points chauds. Ces méthodes se révèlent
i
donc inadaptées
pour les fluides thermosensibles et lors-
cylindrique, du fait de la présence de frottement à la fois sur
la paroi intérieure et sur la paroi extérieure de la section
qu'on recherche de fortes densités de chauffe ou une faible
inertie thermique.
annulaire.
U
UTILISATIONS
INDUSTRIELLES DES TPC
Comparaison
L'utilisation
chauffage
avec les chauffages
à flamme
de technologie à flamme (brûleurs) pour le R
de fluides
de process conduit
à l'utilisation
d'échangeurs fluide/gaz chauds dont les coefficients d'échange seront encore plus mauvais que ceux des échangeurs liquide/liquide (les gaz sont de très mauvais caloporteurs).
REE
N, 4
Avril1999
p
POUR
LE CHAUFFAGE
DE FLUIDES
Réchauffeurs TPC
Pour
Pou que les raccordements du TPC au reste de l'installation
lation puissent être mis à la masse de façon à éviter la propagati, de la tension vers l'extérieur du TPC, on utilisera
pagation
1 réalisation de réchauffeurs TPC triphasés deux
pour la
Chauffage
de fluides
-1
par
tubes
L2
1
de courant
7. Montage triangle.
L3
j
1
Sortie
L1-R
L1
à passage
1
L2
i
R
'* 1 R
L3 -
,Illi -.Mm1r
à Entrée
EXEMPLES
CONCRETS
DE RÉALISATION
Sortie î ----j 1
L1"
Fluide caloporteur 400'C
- - - - - -- ---'
à pression
atmosphérique
L2 --------- Ze
L3
Utilisation
Le TPC que nous allons présenter est en fonctionnement
L3 - Il
Entrée ''
depuis juillet 95 sur le site de Colmar de la société RhônePoulenc Aramides.
Dans le cadre de l'amélioration des qualités de la fibre
Entrée 1
Kermel,
8. Montage double étoile.
types de montage : le montage triangle ou le montage
double-étoile.
Avec le TPCI CI comme inductif), on utilise les trois
épingles en tube métallique du montage double étoile précédent comme secondaire du transformateur. Le transformateur du TPCI est donc constitué des seuls bobinages primaires tandis que le courant secondaire est directement
induit dans les tubes.
la société Rhône-Poulenc
Aramides
souhaitait
augmenter la température de travail d'un four à batteries
aérothermes chauffé par fluide caloporteur.
Le four existant était alimenté en fluide caloporteur par
une chaudière classique dont la température de travail était
limitée à 300'C et la nouvelle température maximale de
travail devait être de 400'C.
Traçage TPC
La technologie TPC peut aussi s'appliquer au traçage de
canalisations de façon à conserver la température d'un fluide circulant dans les canalisations (avec éventuellement
une possibilité de défigeage de celui-ci). On travaille généralement avec des installations monophasées pouvant présenter un ou plusieurs points d'alimentation.
70. Traçage TPC avec point milieu.
Brideélectriquement isolante
Sortiefi
Phase Terre
Il
'', " " " " " I,','1 >
7p h ;, -1
! Z : ____
E
9. TPCI.
R
Entrée
IJ
" "' i " >
lu î'ï
m " 1,-7",P
0
Terre 1
A
/0. Traçage TPC en extrémités.
REE
N, 4
Avril1999
PROCÉDÉS
Tableau 1 - COMPARAISON
ÉLECTRIQUES
SOLUTION
DE CHAUFFAGE
TPC ET SOLUTION
DES FLUIDES
CLASSIQUE THERMOPLONGEURS.
Installation
Installation TPC
110 kW - 400 OC
Extrapolation à une
installation 110 kW
à thermoplongeurs
pilote de 92
classiques
Puissance chaudière
IlOkW
21 kW
IlOkW
Température de veine
400 DC
400 OC
400 OC
Température de film
420 DC (*)
430'C
430 °C
19 v
400 V
400 V
12 litres
40 litres
209 litres
1,75 W/CM2
1,75 W/CM2
Tension d'alimentation
des résistances
Volume de fluide dans la chaudière
12 W/CM2 (*)
Densité de chauffe
(*) Pour des raisons de sécurité, le TPCavait été calculé pour une température de film maxi de 420'C, ce qui laissait la possibilité théorique de le faire travailler jusqu'à 410'C.
avec un fluide neuf ou long-
Le thermogénérateur TPC
Pour réduire le volume de fluide, nous devions réaliser
une installation la plus compacte possible, donc avec une
densité de chauffe élevée tout en préservant un faible écart
entre température de veine du fluide et température de film
du fluide le long des parois chauffantes.
La technologie TPC était donc tout particulièrement
temps inutilisé, en dessous de 40 °C avec un fluide déjà
utilisé ou n'étant pas resté très longtemps au repos).
La température maximale de veine de ce fluide est de
adaptée à notre problème. De plus, la température de travail étant susceptible de varier, un réchauffeur TPC pouvait bénéficier d'une excellente souplesse et d'une grande
400'C,
précision de la régulation.
La chaudière TPC elle-même était constituée de six
tubes en inox montés en trois épingles selon un schéma
double étoile. Une première installation pilote permettant
Le fluide utilisé
Pour pouvoir travailler
à 400'C
en restant à pression
atmosphérique,
nous avons choisi d'utiliser
un fluide
Santotherm 75 (commercialisé par la société Monsanto)
qui est un mélange de ter et de tétraphénile.
Ce fluide présente la particularité de figer à basse température (en dessous de 70'C
sa température maximale de film de 430'C.
A
400'C, la faible tension de vapeur de ce fluide permet de
travailler avec une très faible surpression (0,3 à 0,5 bar sur
l'installation).
Sortie
e
Thyristors
Contacteur
de ligne
Entrée
12. Principe de la régulation.
REE
N'4
82 Avril 1999
Chauffage
de fluides
par
tubes
à passage
de courant
à pression atmosphé-
vase d'expansion X se fait par surpression d'azote. Le rem-
rique avait été réalisée en 1992 pour un autre client avec
des thermoplongeurs classiques et le tableau 1 permet de
plissage de l'installation se fait par gravité depuis le vase X.
Les vannes Vj et V2 permettent le débullage de l'instal-
comparer les deux solutions en termes de densité de chauffe et de volume de fluide.
lation pendant la phase de remplissage des circuits d'utili-
d'utiliser
le même fluide à 400'C
sation, la vanne V permet de vidanger le système.
Un automate TSX 17 permet la gestion des différentes
Régulation de la température
La régulation de température est assurée par un simple
régulateur PID piloté par une sonde mesurant la température de fluide en sortie du réchauffeur. Ce régulateur commande en train d'ondes un gradateur à thyristors alimentant
le primaire du transformateur de puissance (côté 400 V).
La température de chacune des épingles constituant le
TPC est mesurée par un thermocouple relié à un régulateur
fonctionnant en tout ou rien et permettant d'arrêter la
chauffe si la température du tube devenait supérieure à la
température maximale de film admissible.
Cette régulation a nécessité des réglages très simples et,
grâce à la faible inertie du TPC, permet les changements
de consigne sans modification des paramètres du PID.
Présentation de l'ensemble de l'installation
L'installation fonctionnant chez Rhône-Poulenc se présente sous forme d'un « skid » comportant, en plus du
réchauffeur TPC lui-même :
un
bac de vidange et de préchauffage B,
phases de l'utilisation : préchauffage du bac, remplissage
des circuits, purge, démarrage, utilisation, mise en veille,
vidange.
Réchauffage
d'ammoniac
Le besoin du client
Notre client utilisait pour réchauffer à 375'C de l'ammoniac à pression élevée (80 et 250 bars) des échangeurs
en Hastelloy constitués de tubes avec double enveloppe de
circulation et un chauffage par circulation de sel fondu.
Les problèmes rencontrés par le client étaient le coût des
échangeurs à double enveloppe et la non-maîtrise
température de surface d'échange.
Les réchauffeurs
de la
TPC
Les réchauffeurs utilisés sont des serpentins en Hastelloy
montés électriquement selon un schéma triangle.
une
pompe de circulation P,
un un vase
vase d'expansion
d'expansion X,X,
un un ensemble
de vannes
(vannes TOR à actionneur
vase d'expansion
X,
pneumatique
leumatique
eumatique permettant
permettantlele
remplissage,
remplissage,
le démarrage
le démarrage
et laet la
vidange
dange de l'installation).
Le bac
bacBBest
estéquipé
équipé
d'un
d'un
chauffage
chauffage
permettant
permettant
de préde préchauffer
auffer le fluide. La
Laremontée
remontéedudu
fluide
fluide
du bac
du bac
B vers
B le
vers le
x
V2
r7V2
Photo du thermogénérateur
TPC 100 kW - 400 IC.
vi
p
V3
B
I
j
i
13. Schéma de principe
thermogénérateur
TPC - 100 kW - 400'C.
REE
N'4
Aril 1999 83
PROCÉDÉS
Tableau II
ÉLECTRIQUES
DE CHAUFFAGE
CARACTERISTIQUES
DES
DES RECHAUFFEURS
FLUIDES
D'AMMONIAC
- - --- --- -Echangeur
n'1 n'2 n'3
Pression (bars) 80 250 250
Température d'entrée ('C) 170 170 170
Température de sortie ('C) 375 375
375
Débit maxi (kg/h)
2000 480 460
Puissance installée (kW)
410 145 145
Diamètre du tube
1 » 1/2 3/4 » 3/4 »
Longueur du tube 35,5 17,4 17,4
Matériaux serpentins
Hastelloy
Hastelloy
Hastelloy
Température de film ('C) 425 425 425
Tension au primaire du transformateur (V tri)
400 400
400
Tension au secondaire du transformateur (V)
36 36
36
Régulation de température
Bien que les débits de produit soient soumis à des variations, la régulation est assurée par un simple régulateur
PID piloté par une sonde mesurant la température de sortie
du produit.
La température de peau de chacun des serpentins est
contrôlée en trois points avec arrêt du chauffage en cas de
dépassement de la température de peau autorisée.
Traçage d'une canalisation à 220'C
Utilisation
Il s'agit de maintenir
à 220'C
une canalisation
dans
laquelle circule un produit qui fige dès 200/205 °C
et ne
supporte pas des températures locales supérieures à 230'C.
Sur des installations antérieures, le maintien en température est assuré par circulation d'huile dans des doubles
enveloppes.
Avantages de la technologie TPC
L'utilisation de la technologie TPC a permis de réduire
la taille et de simplifier les serpentins Hastelloy du client,
d'une part en supprimant le fluide intermédiaire (sel fondu
en l'occurrence), d'autre part en améliorant le coefficient
global d'échange des serpentins.
Le sel fondu étant utilisé par ailleurs sur le site, la technologie TPC n'a pas permis d'éviter l'implantation d'une
chaudière sel fondu mais a permis de ne pas avoir à tirer
des lignes d'alimentation vers les serpentins d'ammoniac.
Bien que l'on manque de recul pour être affirmatif là-
Traçage TPC
L'installation
présentée utilise un montage électrique
avec alimentation en point milieu.
Avantages du traçage TPC
L'utilisation
en traçage de la technologie TPC permet
d'éviter les points froids au droit des brides de raccordement. En effet, le chauffage est désormais assuré uniformément sur toute la longueur de la tuyauterie alors qu'aupara-
dessus, l'utilisation de la technologie TPC permettra très
certainement de simplifier la maintenance et d'augmenter
vant, soit la double enveloppe s'arrêtait avant les brides,
soit il fallait utiliser des brides épaisses avec circulation du
fluide à l'intérieur de la bride elle-même. Dans les deux
la durée de vie des serpentins.
cas, on obtenait des points froids avec risque de figeage.
st + PID+yp
St
PID
Régulateur PID conventionnel
To : température de sortie du fluide
St : consigne de température
Yp
Yp : sortie contrôle de puissance
15. Schéma de
St
REE
N, 4
Avril1999
principe de la
régulation.
Chauffage
L'installation
présentée est une boucle d'essai ayant
pour seul but de tester la technologie. Dans la réalité, le
réseau de tuyauterie à tracer est extrêmement complexe et
la circulation
d'huile dans les différentes enveloppes
nécessite plusieurs circuits d'huile avec de très nombreuses
vannes de réglage du débit d'huile dans les doubles enveloppes. La mise en service de l'installation du client est
donc extrêmement complexe. Une pré-étude de l'installation finale a permis de montrer qu'on remplacerait le
réseau fluide thermique comportant 12 pompes de circulation et près d'une centaine de vannes de réglage et de sectionnement
par un ensemble de 6 centrales TPC et
de fluides
par
tubes
à passage
TABLEAU III - CARACTÉRISTIQUES
de courant
DU TRAÇAGE
Température de maintien 220 OC
Puissance installée 3 kW
Diamètre canalisation 1
m
Longueur canalisation
20 m
Matériau canalisation
inox
Temps de défigeage
3h
Tension au primaire du transformateur
Tension au secondaire
400 V mono
13 V
quelques chauffages additionnels de vannes.
D.E.fluidethermique
Les 3 exemples concrets présentés ci-dessus illustrent
bien par leur diversité le grand nombre de cas où la techno-
Produit i
logie TPC permettra une amélioration et une simplification
du process.
t
Bride
Une erreur assez commune est de penser que la techno-
16. Brides de raccordement sur canalisation avec double
enveloppe huile thermique.
D.E. fluide
thermique
Produit!
CONCLUSION
-\ 1 Fi/-
logie TPC est chère. C'est souvent vrai, si on considère la
seule fonction de production de l'énergie, mais cela est
souvent totalement faux si l'on considère l'ensemble des
coûts : production et transfert de l'énergie.
Le réchauffage (ou le traçage) TPC peut s'appliquer
pour tous types de fluides, à toute température. Il est particulièrement bien adapté au cas des fluides thermosensibles, des fluides dangereux ou corrosifs, des hautes températures...
17. Raccordement par brides épaisses avec circulation
interne.
Luc-Stéphane SCHROEDER est Directeur généralde la société
Parmilleux,
entreprise
spécialisée
dansleséquipements
de chauffage
pourles
process
industriels.
REE
N, 4
Avril1999