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hauffage de fluides par tubes
à passage de courant
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Mots-clés :
Chauffage
des fluides,
Tubes à
passage de
courant,
Effet Joule.
par Luc-Stéphane SCHRDER, Société Parmilleux
Le chauffage des fluides par la méthode
des tubes à passage de courant est une
solution particulièrement adaptée à
certaines applications industrielles
contraignantes.
INTRODUCTION
Principe
Le fluide (liquide ou gaz) circule à l'intérieur d'un tube
métallique relié au secondaire bas voltage d'un transforma-
teur 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 U2
P = U.I P = R.I P = - R (1)
avec U tension entre les extrémités du tube
1 intensité du courant dans le tube
R résistance du tube.
La résistance électrique du tube est donnée par :
L
R=p.- s (2)
avec r résistivité du tube
L longueur du tube
S section du tube.
La puissance cédée au fluide est :
P=d. [H (T,) -H (TJ] (3)
La technologie TPC (Tubes à Passage de Courant)
permet de réaliser des installations de réchauffage
de fluide compactes et de très faible inertie ther-
mique.
Cette technologie est particulièrement bien adap-
tée au réchauffage de fluides thermosensibles
et/ou encrassants.
Les tubes à passage de courant permettent notam-
ment d'éliminer les points froids et de réduire la
taille de certaines installations.
Current injection tube technology may be applied
in compact fluid heating installations with a very
low level of thermal inertia.
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.
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.
Comparaison avec un échangeur
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
TPC, l'échange se fait entre le fluide à réchauffer et l'élec-
tricité, « fluide » un peu particulier circulant directement
dans la surface d'échange.
REE
N, 4
Avril 1999

Chauffage de fluides par tubes à passage de courant
Paroi
échangeur
Tc
T
Tc
PIC \ Tpf
Tf
Côté fluide Côté fluide
chaud à chauffer
2. Profil de
température dans un
échangeur classique
fluide-fluide.
La densité de flux de chaleur dans un tel échangeur est
donnée par :
0 = K. (T - Tf) (4)
avec K coefficient global d'échange
Te température du fluide chaud
Tf température du fluide froid
avec (J-l (5)
fi hr Â.
Te
Tf
avec 1 e
hr X,hf
h coefficient d'échange côté fluide chaud
hf coefficient d'échange côté fluide froid
e épaisseur de la paroi
conductivité thermique de la paroi
Paroi TPC
pe
Extérieur
3. Profil de
température
dans un TPC
Côté fluide
à chauffer
Pour un tube de faible épaisseur dans lequel l'électricité
est répartie uniformément, la densité de flux peut s'écrire :
0 = K. (Tpe Tf) (6)
avec pour coefficient global d'échange :
K=l h,. 2. X (7)
où hf coefficient d'échange fluide paroi
e épaisseur du tube
conductivité thermique du tube.
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.
Chauffage à des températures élevées
La température de travail, côté process d'un échangeur
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.
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.
Chauffage de fluides thermosensibles
A l'opposé, on peut aussi concevoir un TPC bénéficiant
d'une faible densité de chauffe de façon à obtenir un très
faible écart entre la température du fluide à la paroi (tem-
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
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-
portent comme une épaisseur supplémentaire de paroi. Les
dépôts encrassants présentant généralement une conducti-
vité thermique très mauvaise, le coefficient d'échange glo-
bal 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
TPC, on dispose d'une marge très importante sur la tempé-
rature du tube et on pourra donc préserver la densité de
chauffe.
Comparaison avec un réchauffage
par thermoplongeurs
Un réchauffeur 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.
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N, 4
Avril 1999

PROCÉDÉS ÉLECTRIQUES DE CHAUFFAGE DES FLUIDES
i-
n 0 n
-rrr
DN
4. Réchauffage d'un fluide
par thermoplongeur.
0
(7Di
Pour augmenter la vitesse de circulation du flui-
de le long des épingles, le thermoplongeur est habi-
tuellement équipé de chicanes.
Cas des fluides thermosensibles
La présence d'obstacles dans l'écoulement du
fluide : chicanes, extrémités des épingles, va géné-
rer des phénomènes de type décollements de veine
qui vont conduire à des mauvais coefficients
d'échange locaux générant eux-mêmes des points
de surchauffes locales qui rendent l'utilisation des
thermoplongeurs peu adaptée au réchauffage des
fluides thermosensibles. TPC Di = 20
La suppression des obstacles et/ou la diminution
des densités de chauffe conduirait à des réchauf-
feurs présentant une inertie thermique peu compa-
tible avec une régulation précise de la température. Di
(CD
Pertes de charge dans le réchauffeur
A densité de chauffe égale et coefficients
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. 6. Vue en coupE
Même l'utilisation de cannes chauffantes haute TPC
performance ou à haut flux conduira au mieux à Section cylindrique =
une section annulaire de passage du fluide généra- Frottements sur périmèi
trice, à vitesse de fluide identique, de pertes de
charge élevées.
En effet, toutes choses égales par ailleurs, le coefficient Les
d'échange fluide/paroi dépend de la vitesse du fluide et à de/ga2
vitesse de fluide identique une section annulaire présente suppre
des pertes de charge beaucoup plus élevées qu'une section donc i
cylindrique, du fait de la présence de frottement à la fois sur qu'on
la paroi intérieure et sur la paroi extérieure de la section inertie
annulaire. U
Comparaison avec les chauffages à flamme p
L'utilisation de technologie à flamme (brûleurs) pour le R
chauffage de fluides de process conduit à l'utilisation Pou
d'échangeurs fluide/gaz chauds dont les coefficients d'échan- lation
ge seront encore plus mauvais que ceux des échangeurs liqui- pagati,
de/liquide (les gaz sont de très mauvais caloporteurs). pour 1
Résistance R
iimmmmm
1 <*M Fluide
5. Utilisation d'une canne chauffante
Canne chauffante d = 19
d
De
6. Vue en coupe TPC et circulation autour d'une canne chauffante.
TPC Canne
Section cylindrique = 314 mm'Section = 314 mm'c) de = 27,6
Frottements sur périmètre : 62,8 mm Frottements sur périmètre mouillé = 146,4 mm
Les technologies de construction de ces échangeurs flui-
de/gaz chauds rendent très difficile, voire impossible la
suppression de points chauds. Ces méthodes se révèlent
donc inadaptées pour les fluides thermosensibles et lors-
qu'on recherche de fortes densités de chauffe ou une faible
inertie thermique.
UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES TPC
POUR LE CHAUFFAGE DE FLUIDES
Réchauffeurs TPC
Pour que les raccordements du TPC au reste de l'instal-
lation puissent être mis à la masse de façon à éviter la pro-
pagation de la tension vers l'extérieur du TPC, on utilisera
pour la réalisation de réchauffeurs TPC triphasés deux
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Chauffage de fluides par tubes à passage de courant
L1L 1 - R
1
L2
L3 -
Sortie
à Entrée
Sortie î ----j 1
L 1 " - - - - - -- ---'
L2 --------- Ze L3
L3 - Il
Entrée ''Entrée 1
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 pré-
cédent comme secondaire du transformateur. Le transfor-
mateur du TPCI est donc constitué des seuls bobinages pri-
maires tandis que le courant secondaire est directement
induit dans les tubes.
Traçage TPC
La technologie TPC peut aussi s'appliquer au traçage de
canalisations de façon à conserver la température d'un flui-
de circulant dans les canalisations (avec éventuellement
une possibilité de défigeage de celui-ci). On travaille géné-
ralement avec des installations monophasées pouvant pré-
senter un ou plusieurs points d'alimentation.
-1 L2 L3
j
1
1
i
'* 1
R R
,Illi -.Mm-
1 r
7. Montage triangle.
Sortie fi
! Z : ____
ER AEntrée IJ
EXEMPLES CONCRETS DE RÉALISATION
Fluide caloporteur 400'C à pression
atmosphérique
Utilisation
Le TPC que nous allons présenter est en fonctionnement
depuis juillet 95 sur le site de Colmar de la société Rhône-
Poulenc Aramides.
Dans le cadre de l'amélioration des qualités de la fibre
Kermel, 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.
70. Traçage TPC avec point milieu.
Bride électriquement isolante
Phase Terre
'', " " " " " I,','1 > î'ï " 1, " "' i " >
Il lu m -7 ",P
7p h ;, -1 Terre 1
0
9. TPCI. /0. Traçage TPC en extrémités.
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PROCÉDÉS ÉLECTRIQUES DE CHAUFFAGE DES FLUIDES
Tableau 1 - COMPARAISON SOLUTION TPC ET SOLUTION CLASSIQUE THERMOPLONGEURS.
Installation TPC
110 kW - 400 OC Installation
pilote de 92 Extrapolation à une
installation 110 kW
à thermoplongeurs
classiques
Puissance chaudière
Température de veine
Température de film
Tension d'alimentation des résistances
Volume de fluide dans la chaudière
Densité de chauffe
IlOkW
400 DC
420 DC (*)
19 v
12 litres
12 W/CM2 (*)
21 kW
400 OC
430'C
400 V
40 litres
1,75 W/CM2
IlOkW
400 OC
430 °C
400 V
209 litres
1,75 W/CM2
(*) Pour des raisons de sécurité, le TPC avait été calculé pour une température de film maxi de 420'C, ce qui laissait la possibilité théo-
rique de le faire travailler jusqu'à 410'C.
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 tempé-
rature (en dessous de 70'C avec un fluide neuf ou long-
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
400'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).
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
adaptée à notre problème. De plus, la température de tra-
vail étant susceptible de varier, un réchauffeur TPC pou-
vait bénéficier d'une excellente souplesse et d'une grande
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
Sortie
Thyristors
e
Thyristors
Contacteur
de ligne
Entrée
12. Principe de la régulation.
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82 Avril 1999