THERMOPLONGEURS ET MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR

Les thermoplongeurs sont populaires dans les secteurs du pétrole et du gaz, de la pétrochimie et de la fabrication. Leur fonctionnement est simple et consiste à chauffer directement un fluide lorsque l’élément chauffant y est immergé. 

Le modèle le plus courant consiste en un élément chauffant directement immergé dans le milieu cible. La chaleur est transférée à une masse plus froide par conduction. Mais le transfert de chaleur peut également se faire par convection, en fonction de la présence d’un flux de fluide ou même de l’apparition d’un flux dû à des changements de température. 

En général, l’élément chauffant immergé est une résistance électrique qui atteint un rendement de 100 % dans la transformation de l’énergie. Le contrôle de l’efficacité de la conversion énergétique présente toujours une courte hystérésis qui ne doit pas être confondue avec une perte d’efficacité, puisque la résistance de chauffage est recouverte. L’énergie électrique qui traverse la résistance est entièrement transformée en énergie thermique. La température au niveau du couvercle augmente d’abord, ensuite celui du reste des composants mécaniques du réchauffeur et enfin celui du fluide. Les régulateurs modernes intègrent ce délai dans les calculs des signaux de marche/arrêt ou de diminution/augmentation de la tension d’alimentation. 

Modes de transfert de chaleur

Les transferts de chaleur s’effectuent généralement par trois modes : la conduction, la convection et le rayonnement. 

Conduction

On peut observer le premier lorsque deux phases solides (ou fluides immobiles) sont en contact direct l’une avec l’autre. Le taux de transfert, dans ce cas, est proportionnel à la différence de température actuelle (dynamique, par opposition à un état stable) des deux corps, à la surface de contact et à un coefficient de conductivité pour le transfert de chaleur, « k ». Ainsi, si l’on souhaite optimiser/modifier/surveiller le transfert de chaleur, trois facteurs sont à prendre en compte. 

Les thermoplongeurs maximisent la surface de contact en incorporant des éléments chauffants de grande surface tels que des feuilles, des spirales, des bobines et autres éléments similaires. En conduction, il n’y a pas d’obstacles lorsque de telles formes sont utilisées et le transfert de chaleur peut être augmenté sans perte d’énergie, comme dans le cas de la convection. Les cas de conduction sont faciles à traiter car le fluide chauffé autour de l’élément chauffant permet progressivement le transfert de chaleur vers le contenu global. Une autre option consiste à mélanger dans un récipient ultérieur (comme un réacteur à agitation continue) pour une homogénéité complète de la température. Un bilan énergétique global est suffisant pour la plupart des cas si l’on utilise le mélange suivant : apport énergétique dû à l’énergie électrique = masse x Cp x DT

Où m est la masse du fluide, Cp le coefficient de capacité thermique et DT la différence de température produite. Si nous devons être plus précis pour le cas de non-mélange postérieur, nous devons tenir compte du flux induit en raison des différences de densité proches et éloignées de l’élément chauffant. Généralement, en conduction, ce n’est pas le cas. 

Convection

Le second mode, la convection, se produit lorsqu’au moins l’un des corps impliqués est un fluide en mouvement, comme dans le cas de l’air qui se déplace dans nos maisons. En convection, le transfert de chaleur dépend de la vitesse de mouvement relative des deux matériaux, de la surface de contact disponible, de la différence de température et des coefficients k qui sont fonction des deux corps. Des instruments sophistiqués traitent la distribution dynamique de la température et le transfert de chaleur. 

Un exemple de conduction pourrait être deux feuilles de métal en contact l’une avec l’autre. Le profil de température à l’intérieur des feuilles peut être calculé selon une approche linéaire (les profils de température dans la dimension d’intérêt sont linéaires). Si un fluide coule le long d’un thermoplongeur, plusieurs changements se produisent :

• La vitesse du fluide affecte le transfert de chaleur. Des vitesses trop élevées peuvent entraîner une absorption de chaleur plus faible par le fluide. Cela conduit à une plage d’augmentation de la température plus courte le long de la trajectoire du fluide. D’autre part, des vitesses trop faibles peuvent entraîner des différences de température élevées à proximité du thermoplongeur, ce qui se traduit par une forte augmentation de la viscosité et de la densité du fluide chauffé. La vitesse doit être optimisée pour produire un profil de propriétés physiques le long du trajet du fluide qui soit optimal pour le processus en cours.
• Si le fluide chauffé contient des matières solides, la distribution de la taille des particules, combinée à la vitesse du fluide, peut entraîner un amincissement, dû à la réduction de la viscosité et à la précipitation des matières solides.
• Des variations de température plus importantes peuvent finalement modifier le profil d’écoulement, en raison d’effets gravitationnels et énergétiques. 
• La forme du thermoplongeur (en trois dimensions) est toujours un obstacle à l’écoulement. En fonction de la zone d’écoulement, les obstacles peuvent induire des changements importants dans le profil de l’écoulement. On s’attend toujours à ce que les lignes de courant dévient même si elles n’entrent pas en collision et ne se mélangent pas, et des profils de densité se créent en raison de l’action des obstacles. 
• D’autres problèmes importants de précipitations peuvent être observés, comme dans le cas du chauffage de l’eau pour les applications industrielles et domestiques. L’eau contient du CaCO3 qui est légèrement soluble et qui précipite chaque fois qu’une augmentation de la température (dans d’autres conditions également, comme un pH alcalin) réduit sa solubilité. Les thermoplongeurs ont des problèmes connus de tartre, qui est pratiquement une précipitation de carbonate de calcium. Les problèmes de ce type peuvent être résolus par diverses approches, dont voici quelques exemples :
  • Profils de température lisses autour des thermoplongeurs
  • Ajout de solutions tampons de pH dans ces flux
  • Ajout d’acidifiants à des gammes de ppm

Toutes les solutions ci-dessus visent à orienter l’équilibre de la dissociation du carbonate de calcium vers la phase ionique/dissoute. 

Il peut être assez difficile de calculer le transfert de chaleur en mode convection pour un thermoplongeur. Nous suivons en pratique l’une des voies suivantes :

• Utilisez des diagrammes de facteurs de forme, pour les formes les plus courantes, qui permettent de prévoir, dans des limites d’erreur tolérables, le transfert de chaleur de l’élément chauffant vers le fluide. Si ces diagrammes se sont avérés d’une grande utilité pour les formes simples, ils ne peuvent offrir une aide significative lorsque des formes plus élaborées sont utilisées. Par exemple, la maximisation de la surface de contact d’un élément chauffant nécessiterait une bobine ou une structure en spirale dans laquelle le fluide pourrait circuler. Les milieux chauffants poreux pourraient également être une option viable, mais avec le risque de chutes de pression élevées et donc de minimisation de l’efficacité globale du processus. 
• Utilisez les corrélations connues et adoptez un ensemble d’hypothèses. Cette approche est suffisante dans la plupart des cas. Par contre, dans les écoulements de fluides industriels où les profils de transfert de chaleur en 2D (et parfois en 3D) sont nécessaires, ces modèles peuvent devenir obsolètes. En plus de cette lacune, il faudrait également élaborer un code pour le calcul des prédictions des propriétés physiques et l’ajouter au système d’équations.
• L’approche la plus précise consiste à utiliser la dynamique des fluides numérique (CFD) pour le flux de transfert de chaleur par convection. Le logiciel de CFD permet : 
  • l’insertion facile et directe de la géométrie d’un système (tel qu’un réservoir avec le thermoplongeur et l’écoulement du fluide).
  • la mise en place de systèmes fluides multicomposants comme dans le cas de la pétrochimie, des polymères, mais aussi de systèmes plus simples
  • l’ajout de différents modules qui tiennent compte de la teneur en matières solides, des régions turbulentes/laminaires, des profils de pression, etc.
  • Création d’un profil tridimensionnel complet de toutes les propriétés importantes, notamment la température, la composition, la vitesse et la pression. La dynamique des fluides numérique est finalement un puissant outil de résolution par représentation visuelle de systèmes complexes d’équations différentielles et linéaires.

La dynamique des fluides numérique est actuellement l’outil le plus populaire et le plus précis pour la conception, le contrôle et le dépannage des systèmes de transfert de chaleur. Ce logiciel résout simultanément les bilans de masse, les bilans énergétiques et les bilans de quantité de mouvement (équations de Navier-Stokes) pour tout système donné.

Rayonnement

Le rayonnement est le troisième mode de transfert de chaleur. Le rayonnement est moins souvent observé pour les thermoplongeurs en raison des valeurs de température des processus. Le rapport de rayonnement est très faible dans les systèmes simples de préchauffage et de chauffage (max 100 °C). Elle est faible aux températures moyennes que l’on trouve dans les environnements industriels (max 250 °C), et assez élevée aux températures plus élevées. En raison de la dépendance du transfert de chaleur à la puissance quatre de la température, ce mécanisme devient dominant à des températures très élevées (>700 °C). 

Ses domaines d’application sont les chambres de combustion et les brûleurs industriels. Dans ces rapports de rayonnement très élevés du transfert de chaleur global, des matériaux, des fluides et des infrastructures spécifiques sont utilisés pour à la fois maximiser l’adsorption de l’énergie de rayonnement et minimiser les pertes radiatives dans l’environnement. La première peut être obtenue par le choix de fluides très absorbants, tels que des combustibles à haute teneur en carbone, contrairement au gaz naturel par exemple. La seconde est principalement obtenue grâce à des supports réfléchissants autour des récipients de chauffage qui éliminent les pertes d’énergie dans l’environnement. Le transfert homogène d’énergie vers chaque direction rend la prédiction du transfert par rayonnement plus facile que dans le cas de la convection. Néanmoins, les logiciels modernes de dynamique des fluides numérique et de multiphysique (comme COMSOL par exemple) facilitent la conception précise de tels systèmes.