Réchauffeurs À Bride

Le chauffage électrique peut impliquer n’importe quel processus qui convertit l’énergie électrique en chaleur¹. Un parfait exemple en est un réchauffeur électrique à bride. Il a diverses applications qui incluent le chauffage de l’eau et du mazout, le chauffage de locaux, de la cuisine et est populaire dans les processus industriels². Un réchauffeur électrique fonctionne selon le principe du chauffage par effet Joule³. Il s’agît d’un processus où un courant électrique passe à travers un conducteur qui le convertit en chaleur.

La technologie du chauffage électrique tubulaire existe depuis plus de 30 ans. Récemment, son utilisation s’est accrue dans les industries chimiques et pétrochimiques. Les améliorations apportées aux fonctions de sécurité, aux systèmes de contrôle et à la conception du produit ont conféré à cette technologie un avantage par rapport aux autres moyens de chaleur.   Un élément chauffant tubulaire de base est constitué d’un fil de nickel-chrome (Ni-Cr) (80-20% ou 70-30%), qui offre une résistance à l’électricité en générant de la chaleur⁶. De l’oxyde de magnésium compact (MgO) et une gaine métallique enveloppent le fil de Ni-Cr (voir la figure ci-dessous). Des broches froides (conducteurs métalliques) établissent les connexions électriques avec le fil de résistance. La terminaison électrique est disponible sous différentes formes. Étant donné que le MgO est très hydroscopique, l’étanchéité est donc importante pour empêcher la pénétration d’humidité.

Ces éléments tubulaires sont soudés à une bride pour former un ensemble thermoplongeur. Normalement, un ensemble thermoplongeur comprend des éléments chauffants, une bride ou une plaque tubulaire, des thermocouples et son boîtier, ainsi que des barres omnibus pour le circuit d’élément (voir figure ci-dessous). Pour chauffer directement un fluide ou un gaz, cet ensemble de chauffage peut se boulonner dans le réservoir ou être monté dans une cuve sous pression.

Performance du réchauffeur à bride

Des informations détaillées relatives à l’application sont requises pour la plupart des applications de l’industrie pétrochimique afin de garantir les performances optimales des réchauffeurs. Parmi les informations requises figurent le produit à chauffer, les températures d’entrée et de sortie, la pression de fonctionnement, le débit ou la taille du réservoir, la température et la pression nominales, la zone d’utilisation (intérieur/extérieur), les zones dangereuses (Si oui, indiquer la Classe, Groupe et Division), la chute de pression admissible, le temps de chauffage, les tailles de raccordement des tuyaux d’entrée et de sortie, la tension disponible et la précision du thermorégulateur requise.   Le choix de la gaine et du matériau de la cuve est important. Parmi les facteurs de choix des matériaux, citons la conception et la température de la gaine, la pression de calcul et la nature corrosive du produit cible. Le tableau ci-dessous constitue une bonne référence⁶.

Les thermoplongeurs à bride en acier sont couramment utilisés pour le chauffage de gaz à faible débit. Ainsi que des huiles lourdes et légères, des huiles lubrifiantes, des liquides et des cires légèrement corrosifs. Ils sont également utilisés dans l’eau désionisée et déminéralisée, les solutions détergentes, l’eau de traitement et le savon.  L’utilisation de l’acier pour le réchauffeur présente de nombreux avantages, tels que la minimisation des pertes de chaleur, la résistance à la corrosion, la durée de vie prolongée, etc.  

Les éléments chauffants à bride en acier inoxydable conviennent mieux pour des solutions faiblement à hautement corrosives. À des fins sanitaires, ils sont également utilisés dans l’industrie alimentaire.  

Alternatives de préchauffage des fluides pour le pétrole et le gaz

Ces dernières années, les réserves de gaz dans l’industrie pétrolière et gazière se sont appauvries. En parallèle, il y a eu une augmentation constante de la demande et l’augmentation du coût du gaz naturel. Cette situation a créé le besoin d’une source alternative pour le préchauffage des fluides produits dans les appareils de traitement de chaleur dans les champs pétrolifères. Les thermoplongeurs électriques constituent un moyen sûr, efficace, fiable et économique de répondre à ce besoin par rapport aux autres techniques de chauffage conventionnelles⁷.  

Un autre exemple d’application du chauffage électrique dans l’industrie pétrochimique est la protection contre le gel et la maintenance des processus sur les systèmes de canalisation⁹. Les avantages dans cette application particulière incluent un coût d’installation minimal, un coût d’exploitation inférieur et un meilleur contrôle de la chaleur.  

Le chauffage par résistance électrique est un substitut au chauffage conventionnel à la vapeur et au chauffage direct dans les industries pétrolière, pétrochimique et chimique¹⁰. Une évaluation comparative indique que le chauffage électrique est bien plus prometteur. Cela est dû au rendement supérieur de l’électricité par rapport aux autres formes de chauffage classiques.  

Les hélices d’avion constituent un autre domaine d’application des réchauffeurs électriques⁸. La formation de glace sur les hélices est un danger potentiel. Ceci est dû aux effets que cela peut avoir sur l’équilibre, les caractéristiques aérodynamiques et structurelles de l’hélice et de l’avion. Le chauffage électrique constitue un moyen pratique d’obtenir le chauffage nécessaire pour empêcher la formation de glace sur les pales de l’hélice dans des conditions d’installation défavorables.  

Séparation des sables bitumineux

L’élimination du sable du pétrole brut est un processus très coûteux. Et la viscosité élevée de l’huile dans de nombreux champs pétrolifères minimise l’efficacité de la séparation. Pour résoudre le problème de la faible efficacité des huiles à haute viscosité, le chauffage électrique propose une application importante. Les compagnies pétrolières accordent plus d’attention et d’importance à leur application parce que leur application dans les gisements pétroliers résout les problèmes de faible efficacité avec la haute viscosité⁵. Il offre une variété d’applications dans les champs pétroliers liés à la technologie de séparation des sables bitumineux. Tels que la séparation des sables bitumineux de l’air aqueux, un dégraissage par ultrasons plus propre des sables bitumineux et l’application de micro-émulsion dans une lotion pour sables bitumineux.  

Un exemple de son application est le dessablage d’hydrocarbures lourds de la plate-forme offshore⁵ où une poudre de cuivre spéciale sert de matériau conducteur pour le réchauffeur électrique. La poudre passe entre le tube et les serpentins de chauffage. Cette poudre présente une résistivité élevée et a l’effet de chauffage transitoire qui permet de répondre aux exigences de température dans un délai plus court. Les résultats comprennent une efficacité thermique élevée, une installation facile, un entretien réduit et des performances stables et fiables.  

Industrie chimique

Les thermoplongeurs sont largement utilisés dans diverses applications de l’industrie chimiques⁴ (CPI). Ces réchauffeurs sont utilisés dans les fluides tels que les matériaux visqueux, les matériaux fondus et les gaz, l’eau, les huiles, les solvants et les solutions de traitement. Ils sont disponibles en divers choix de caractéristiques comme :

• La taille
• Les connexions de terminaison
• Les matériaux de gaine
• Les accessoires de gaine
• La puissance nominale en kilowatts
• Les tensions (potentiel électrique)

En raison de la transmission complète de la chaleur dans le liquide du gaz, les thermoplongeurs sont pratiquement écoénergétiques à 100%.  

Les réchauffeurs à bride carrée sont très utilisés dans des applications telles que les réservoirs de stockage et les chaudières à eau industrielles qui contiennent du mazout, des solutions caustiques, des solvants de dégraissage et des fluides caloporteurs. Les thermoplongeurs à bouchon fileté sont courants dans des applications telles que :

• Eau déminéralisée
• Eau de traitement
• Nettoyants caustiques
• Solutions antigel (glycol)
• Réservoirs industriels
• Réservoirs de rinçage à l’eau propre
• Eau désionisée
• Paraffine liquide
• Huiles hydrauliques et produits pétroliers bruts
• Bains chimiques

Les thermoplongeurs latéraux sont généralement utilisés dans les applications à haute pression telles que les réservoirs de gaz surchauffé et comprimé. Mais ils trouvent également une utilisation dans des réservoirs non pressurisés  

Sélection du réchauffeur

Choisir le bon appareil de chauffage en fonction de l’application requise est très important et dépend des caractéristiques et des exigences de l’application. Habituellement, la chaleur requise pour le travail est déterminée, laquelle est ensuite convertie en puissance électrique requise et un réchauffeur est sélectionné, par voie de conséquence. La détermination de la puissance requise est la même pour le chauffage de liquides, de solides ou de gaz. Les propriétés du matériau cible jouent également un rôle important dans la sélection d’un réchauffeur. Par exemple, le pétrole brut, généralement épais et visqueux, requiert une très faible densité de watt. Tandis que l’huile végétale, très légère, ne pourrait consommer que 30 à 40 watts/pouce⁴. La densité en watt dépend de la conductivité thermique, de la viscosité et de la chaleur spécifique du pétrole. L’estimation de la densité en watt appropriée protège le réchauffeur contre la cokéfaction.  

La cokéfaction est un dépôt habituellement formé sur la gaine de l’appareil de chauffage en raison de la décomposition chimique du matériau chauffé. La quantité de cokéfaction dépend de la température maximale de fonctionnement du pétrole. Elle se produit généralement dans les produits pétroliers, ce qui entraîne une détérioration de la durée de vie du réchauffeur et une défaillance prématurée.  

Conception du réchauffeur à bride

La conception du réchauffeur peut jouer un rôle vital dans la prévention ou la minimisation de la cokéfaction. Par exemple, la gaine d’un élément tubulaire plat est plus froide que celle d’un élément tubulaire rond lorsqu’elle est utilisée à la même densité en watt. Et, de ce fait, l’élément plat présente un risque moins élevé de cokéfaction.  

En fin de compte, on peut dire que les applications de chauffage électrique vont du chauffage de divers liquides et gaz à des températures extrêmement élevées. Par exemple, surchauffe de vapeur, fluides caloporteurs, mazout et solutions corrosives. La technologie en matière de chauffage électrique a progressé dans les domaines de la sécurité, des normes de conception, de la fiabilité et de la contrôlabilité. Il n’y a pas de problème d’émissions, la protection de l’environnement est assurée. Les bonnes pratiques d’ingénierie et une connaissance approfondie de l’application pour optimiser la conception sont la clé d’un bon fonctionnement.  

Références  

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_heating#cite_note-3  
2.  Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition,McGraw-Hill, New York, ISBN 0-07-020974-X, pages 21-144 to 21-188, 1978.  
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_heating.  
4. Robert Klein, Immersion heaters: selection & implementation, Chemical Engineering. 113.1, p. 44-48, Jan 2006.  
5. Ding Feng, Nian Liu, Xiaofei Chang, Peng Wang, Chao Ruan and Hong Zhang, The application of electric heater in heavy oil desanding of offshore platform, IEEE, 2011.  
6. Rob Bohn, Mike Bange and Joe Foreman,  The basics of electric process heating, IEEE, Paper No. PCIC-94-14, 1994.  
7. Palastak, James E, Use of electric immersion heating elements in oilfield heater-treaters, SPE Eastern Regional Meeting, Society of Petroleum Engineers, 4-6 November, Columbus, Ohio, 1981.  
8. Jack H. Sheets, Edward J. Sand, Development and application of electric heating to deicing of aircraft propellers, IEEE, vol. 68, 1949.  
9. C.J. Erickson, James D. Lyons, N.R. Rafferty, Chet Sandberg, A study of steam vs electrical pipeline heating costs on a typical petro-chemical plant project, IEEE, paper no. PCIC-90-02, 1990.  
10. Anon, Steam substitution in chemical process, petrochemical and petroleum industries, research and development report, Canadian electrical association, issn: 08232660, March 1987.