LES THERMOPLONGEURS ET LEURS SPÉCIFICITÉS DE CONCEPTION

Voici une expression idiomatique américaine : « Aussi lent que la mélasse en janvier. » Elle fait référence à la lenteur agonisante du gouvernement, de la direction et même de la mélasse.

De nombreuses industries dépendent de l’écoulement de fluides visqueux. L’application correcte du chauffage par immersion améliore considérablement le comportement des fluides de traitement. C’est aussi vrai dans un oléoduc transalaskien que dans un distributeur de miel à l’épicerie. La régulation des débits est importante dans toutes sortes de processus.

Il existe également une large application des éléments chauffants à immersion dans l’eau. Il existe des principes de conception communs à toutes sortes d’applications. Des réacteurs nucléaires à eau pressurisée au réchauffeur d’eau dans une maison.

Dans cet article, nous explorons certaines des propriétés thermophysiques de base qui régissent la conception des éléments chauffants à immersion. Cela peut faciliter le choix des réchauffeurs et la prise en compte des principaux métiers de la conception.

Définition du thermoplongeur

Qu’est-ce qui définit un thermoplongeur ? Après tout, les éléments communs des fours à bobines électriques sont exposés à l’air. Cette discussion porte sur les effets négatifs d’une mauvaise conception des réchauffeurs et d’un mauvais mélange des fluides.

Il s’agit en particulier d’un changement de phase ou d’une réaction dans le fluide. À quoi cela ressemble-t-il en pratique ?

Le chauffage de la mélasse doit éviter de brûler la mélasse. Le chauffage de l’eau doit éviter l’ébullition au-delà de la tolérance de conception du système d’eau. Le chauffage de l’huile doit éviter de carboniser ou d’enflammer l’huile.

Dans les cas ci-dessus, la température de surface de l’élément réchauffeur est la variable qui doit être contrôlée pour éviter des résultats négatifs.

L’épuisement du réchauffeur est toujours un risque, quel que soit le fluide en cause. Et il faut réduire ce risque en toutes circonstances. Cependant, pour une configuration typique de thermoplongeur, l’altération négative du fluide du processus se produit à une température plus basse que celle de l’épuisement du réchauffeur. Les barres de combustible des réacteurs nucléaires constituent une exception notable, mais extrêmement sophistiquée.

Gestion des risques

Pour que les processus soient sûrs et efficaces, il est indispensable de bien gérer les risques.

La défaillance d’un réchauffeur est un processus de feed-forward. La température de la surface augmente au fur et à mesure que du résidu carboné s’accumule à la surface. Cela permet à plus de charbons ardents de se former, ce qui augmente la température. Si rien n’est fait, le problème s’aggrave de façon exponentielle.

Dans l’eau, si l’ébullition s’écarte du régime nucléé stable, la vapeur près de la surface provoquera une élévation rapide de la température de surface. Ceci est dû à un mauvais transfert de chaleur lors de la phase vapeur. Cela compromet les performances du réchauffeur. Dans le cas de certains fluides et systèmes de traitement, une situation dangereuse peut se développer si les températures du réchauffeur s’approchent de l’auto-inflammation du fluide ; ou alors si la production de vapeur provoque une augmentation de la pression du système.

Dans les processus alimentaires, la surchauffe peut provoquer des goûts et des odeurs indésirables. Une meilleure compréhension des processus des fluides thermiques peut aider à maîtriser les risques.

Parois antidérapantes

L’un des axiomes de base de la mécanique des fluides est la paroi antidérapante. On suppose que la couche de fluide en contact avec la surface chauffée y est liée. Il serait donc en équilibre thermique avec la surface.

Un fluide en ébullition se dessèche et se réhumidifie. La surface n’est donc pas en équilibre avec la première couche de fluide. La mécanique statistique donne une perspective à ce processus en introduisant le concept de temps de résidence. C’est là que les molécules fluides, plutôt que le fluide continu en vrac, sont considérées comme collées à la paroi pendant une période limitée. Cette période est plus courte pour les parois chaudes ou les petites molécules. La période est plus longue pour les parois plus froides et les molécules plus grosses.

Si l’ébullition a lieu, il y a une probabilité qu’une molécule donnée arrive en phase liquide et reparte en phase vapeur. Si le risque est la carbonisation, la molécule peut alors arriver sous forme liquide et rester liée comme un solide. Ces deux cas augmentent la résistance au flux de chaleur. Ce qui, avec son inverse, le coefficient de transfert thermique global, peut être une mesure très pratique pour permettre des comparaisons de systèmes très dissemblables.

Source et puits

La chaleur doit passer d’une source à un puits. Pour les thermoplongeurs, cela signifie de l’élément de chauffage au fluide en vrac. Entre la source et le puits, plusieurs processus de transfert de chaleur peuvent entraver le flux de chaleur.

À l’intérieur du réchauffeur, il existe un terme de conduction qui régit la façon dont la puissance dissipée se déplace vers la surface de l’élément. Autrement dit, l’axe de l’élément est plus chaude que le pourtour.

À l’intérieur du réchauffeur, il peut y avoir une certaine liaison entre l’élément électrique et la gaine du réchauffeur. Qui est choisi pour éviter les interactions chimiques avec le fluide de processus. Et donc l’intérieur de cette région de liaison est plus chaude que la surface intérieure de la gaine. Ce terme peut être conducteur ou peut inclure le rayonnement s’il y a un écart entre l’élément et la gaine.

De plus, la gaine a une certaine épaisseur. Cela peut être fonction de la pression à laquelle le réchauffeur doit fonctionner. Et l’intérieur de la gaine sera plus chaud que l’extérieur.

Enfin, le fluide est plus froid que le réchauffeur. Le terme de convection capture l’augmentation de température nécessaire pour conduire un certain flux de chaleur de la surface extérieure de la gaine au fluide. L’analogie des résistances électriques peut aider à comprendre la résistance thermique.

Chacun de ces maillons de la chaîne agit comme une résistance en série. Ensemble, ils totalisent une certaine résistance thermique totale au flux de chaleur. Nous mesurons cela en degrés par flux de chaleur, généralement en mètres carrés Centigrade par watt. L’inverse est le coefficient global de transfert de chaleur.

Termes

La clarté des termes est essentielle. Un flux est un transfert qui traverse un milieu. Cela permet une comparaison significative du comportement des réchauffeurs de la grande à la petite échelle en comparant le flux de chaleur admissible pour une paire de surface de fluide. Compte tenu des régimes d’écoulement des fluides similaires, les ingénieurs peuvent prendre des décisions qui s’appliquent à une cuve de traitement ou à un appareil de table.

Comment comparer les régimes d’écoulement des fluides ?

Lorsque l’écoulement est forcé par une pompe, un ventilateur ou une autre source externe, le nombre de Reynolds sans dimension indique le rapport entre la quantité de mouvement et la viscosité. On s’attend à un comportement similaire pour des régimes de même nombre de Reynolds.

Le chauffage du pétrole dans une canalisation de transport est un exemple significatif d’écoulement forcé. Les branches de pipeline de différents diamètres, débits et températures. Ils peuvent être comparés sur la base du nombre de Reynolds.

Dans le cas du chauffage d’un fluide au repos, l’impulsion n’est pas fournie de l’extérieur. Elle est plutôt générée par la flottabilité résultant des changements de densité induits thermiquement. Le fluide à proximité du réchauffeur est plus chaud. Et comme la plupart des matériaux et des fluides se dilatent lorsqu’ils sont chauffés, ce fluide plus chaud remonte à travers le fluide plus froid environnant. Cela crée des courants de convection.

Les nombres sans dimension de Rayleigh ou de Grashof, étroitement liés, permettent une comparaison significative entre ces forces de flottabilité et les forces visqueuses compensatrices.

Le paramètre de fluide sans dimension approprié est un terme clé dans le transfert de chaleur par convection, car plus le fluide est en mouvement, plus le réchauffeur immergé rejette de la chaleur. L’inverse est le coefficient global de transfert de chaleur. C’est l’une des résistances thermiques intégrées dans le coefficient global de transfert de chaleur.

Différence de température

Sans différence de température de conduite, il n’y a pas de chaleur qui se dégage du réchauffeur. Ce gradient est établi par la puissance électrique dégagée par le thermoplongeur. La température de pointe interne du réchauffeur est déterminée par cette puissance. Ainsi que par la résistance thermique entre le réchauffeur et le fluide en vrac.

Cette résistance globale au transfert de chaleur est la considération clé dans le dimensionnement d’un thermoplongeur pour un fluide donné avec une température maximale autorisée connue. Si cette résistance est élevée, le concepteur peut exiger un flux de chaleur plus faible, c’est-à-dire un réchauffeur plus grand ou une puissance plus faible. De plus, la plupart des composants du génie des procédés sont sujets à une dégradation en fonction du temps et du service.

L’encrassement minéral des chauffes-eau est l’exemple le plus courant. Mais la préoccupation ne se limite pas aux systèmes hydrauliques.

Ainsi, le concepteur doit tenir compte de la température prévue de la surface du réchauffeur en fin de vie, et pas seulement de la température de traitement en vrac souhaitée. Cela leur permet de choisir un système de thermoplongeur sûr et adapté.