Concevoir un système de fluide thermique : à la fois simple et complexe

La gestion du flux de chaleur dans un système de fluide thermique est essentielle pour fournir un contrôle précis de la température des fluides de traitement et pour protéger l'équipement impliqué.

Dans un système avec un réchauffeur à feu, un débit incorrect peut endommager les serpentins de chauffage à l'intérieur du réchauffeur ou entraîner une dégradation rapide du fluide thermique. Pour éviter d'endommager le système, celui-ci doit être conçu pour maintenir un débit constant à travers le réchauffeur lorsqu'il est en fonctionnement. Certaines de ces conceptions sont illustrées dans les schémas ci-joints.

Un fluide de traitement peut être n'importe quel type de fluide qui nécessite de la chaleur dans le processus de fabrication, y compris les composés chimiques, l'asphalte liquide, le polymère liquide, la cire, les boues résiduaires, l'huile de cuisson, le pétrole brut, le GNL, etc.

Dans le chauffage de processus, vous pouvez soit chauffer le fluide de processus directement ou indirectement avec un réchauffeur à feu ou un réchauffeur électrique. Le chauffage indirect utilise un fluide thermique (également appelé fluide caloporteur) tel que l'huile, l'huile synthétique et l'eau glycolée. Le fluide thermique est chauffé par le réchauffeur qui circule ensuite à travers des serpentins de chauffage, un échangeur ou une cuve à double enveloppe pour chauffer le fluide de procédé. La méthode indirecte est un système en boucle fermée, ce qui signifie que le fluide thermique sortant du réchauffeur reviendra et circulera en continu dans la boucle.

Il y a plusieurs facteurs à considérer lors de la conception d'un système de chauffage pour un débit et un transfert de chaleur appropriés. Avec les récipients contenant les fluides de procédé appelés « utilisateurs », voici quelques-uns des facteurs à prendre en compte.

D'abord, combien d'utilisateurs auront besoin de chaleur ? Vous pouvez avoir un seul radiateur qui peut fournir de la chaleur à plusieurs utilisateurs. Le réchauffeur devra être dimensionné pour tenir compte de la perte de chaleur entre tous les utilisateurs et du débit en fonction de la conception du système.

Ensuite, les utilisateurs s'exécuteront-ils en même temps ? Si les utilisateurs fonctionnent en même temps, le radiateur devra être plus grand, tandis que si vous n'utilisez qu'un seul utilisateur à la fois, le radiateur peut être dimensionné pour s'adapter à l'utilisateur qui a le plus besoin.

Aussi, les utilisateurs ont-ils besoin de la même température de fluide caloporteur ? Un système peut être conçu pour accueillir des utilisateurs qui ont tous besoin de la même température de fluide thermique ou de plusieurs températures en même temps.

L'un des processus doit-il refroidir ? Certains fluides de procédé peuvent avoir besoin de refroidir après avoir été chauffés. Cela peut se faire naturellement dans le temps ou plus rapidement avec un échangeur supplémentaire.

Dans quel délai les processus doivent-ils se dérouler ? Certains utilisateurs peuvent avoir besoin d'une source de chaleur constante tandis que d'autres peuvent n'avoir besoin de chaleur que pendant une période de temps relativement courte. Et certains utilisateurs peuvent avoir besoin d'être chauffés rapidement. Plus la chauffe est rapide, plus le radiateur est gros.

Les boucles de fluide thermique sont contrôlées à l'aide d'une série de vannes (généralement des vannes modulantes), d'éléments de température et de capteurs de pression pour contrôler le débit et maintenir des températures précises. Les vannes sont généralement automatisées et fonctionnent de concert avec les commandes de chauffage pour s'assurer que les températures appropriées sont atteintes pour chaque utilisateur. Lorsque les utilisateurs atteignent la température souhaitée, la tuyauterie de dérivation et les vannes sont utilisées pour s'assurer que le réchauffeur a un bon débit qui le traverse, tout en maintenant la température des utilisateurs.

Lorsqu'un appareil de chauffage est utilisé pour chauffer plusieurs utilisateurs, les utilisateurs seront soit en série, soit en parallèle. En série, une seule pompe est utilisée pour maintenir le débit sur tous les utilisateurs et le réchauffeur. Le débit, mesuré en gpm (gallons par minute), est le même gpm pour tous les utilisateurs et le radiateur. En parallèle, une ou plusieurs pompes sont utilisées pour distribuer le débit à chaque ligne utilisateur. Une pompe de circulation supplémentaire est parfois utilisée pour maintenir le débit dans le réchauffeur. L'avantage d'une conception parallèle est que le fluide thermique s'approche de chaque utilisateur à la même température, par rapport à une conception en série, il y a une perte de chaleur à travers chaque utilisateur et les utilisateurs en aval auront une température d'approche plus basse. Vous pouvez avoir une combinaison de systèmes en parallèle et en série.

Systèmes à une seule ligne

Les systèmes à fluide thermique à ligne simple sont le type de système le plus basique, mais ils peuvent tout de même être assez polyvalents. En règle générale, une seule pompe de circulation est utilisée pour déplacer le fluide caloporteur dans l'ensemble du système. Ce type de système peut avoir un seul utilisateur ou plusieurs utilisateurs. Un même utilisateur peut avoir une seule zone de chauffage (Figure 1) ou plusieurs zones (Figure 2). Avec plusieurs zones, différents volumes de produit peuvent être chauffés sans chauffer tout le réservoir.

Une seule ligne plusieurs utilisateurs

Lorsque plusieurs utilisateurs sont chauffés dans un même circuit, ils peuvent être en parallèle (Figure 3) ou en série (Figure 4) à l'aide d'une pompe de circulation commune. Lorsque les unités sont en parallèle, le fluide thermique s'approche des utilisateurs à une température uniforme. Dans ce cas, la pompe de circulation a un débit d'au moins la combinaison de tous les utilisateurs. Lorsque les utilisateurs sont en série, la température du fluide thermique qui approche varie en fonction de la chaleur absorbée par tous les utilisateurs précédents. Cela conduit à une pompe avec un débit plus faible et une pression différentielle plus élevée.

Figure 5

Multiligne

Un système multiligne (Figure 5) est utilisé lorsqu'il y a un seul réchauffeur et plusieurs utilisateurs et que vous souhaitez que chaque groupe d'utilisateurs ait des boucles de fluide thermique distinctes. Une boucle (aka circuit) peut avoir plusieurs utilisateurs en série ou en parallèle. Une seule pompe de circulation peut être utilisée pour chauffer le fluide thermique dans le réchauffeur et des pompes latérales/de soutirage sont utilisées pour faire circuler le fluide thermique dans chaque boucle indépendante. Si la température requise du fluide thermique est considérablement inférieure à la température de masse maximale autorisée du fluide, la conduite peut tirer le fluide en aval de leurs retours. Cela nécessite une température de fluide thermique plus chaude sortant du réchauffeur qui atteindra la température souhaitée pour les utilisateurs après qu'il se soit mélangé avec le fluide de retour plus froid. Cela permet une pompe de circulation de chauffage plus petite. Si la température requise est trop proche de la température globale maximale autorisée, les boucles doivent tirer en amont de leurs retours. Cela nécessite que le taux de circulation du réchauffeur soit supérieur à la somme de chaque boucle. Un exemple de ceci est lorsque vous avez des réservoirs de tailles différentes qui chauffent selon des horaires indépendants et nécessitent le fluide thermique à la même température, mais à des débits différents.

Figure 6

Boucle d'huile chaude

Les boucles d'huile chaude (Figure 6) sont utilisées lorsque les utilisateurs doivent chauffer avec différentes températures de fluide. La boucle de chauffage principale est la température la plus chaude. La boucle la moins chaude possède sa propre pompe de circulation et se mélange au fluide plus chaud pour maintenir un point de consigne de température. Par exemple, lorsque vous devez chauffer rapidement un grand volume de fluide de procédé dans un réservoir de fluide thermique et maintenir une température définie dans les lignes de procédé. Les lignes de traitement sont maintenues à une température définie avec une chemise d'huile isolée de la même température. Cela permet d'atténuer la perte de température de la conduite sans risque de surchauffe du fluide dans la conduite que vous pouvez voir avec le traçage électrique.

Boucle de régulation de température

Figure 7

Une boucle de contrôle de température (Figure 7) est très similaire à une boucle d'huile chaude avec en plus la nécessité de refroidir le processus. La boucle de fluide thermique sert à chauffer la boucle de régulation de température et un échangeur sert à refroidir la boucle. Un exemple de ceci est le chauffage d'un procédé dans un récipient à double enveloppe pour le mélange et/ou une réaction, puis le refroidissement du procédé pour le décharger dans un récipient sensible à la température.

La conception d'un système de fluide thermique peut être assez simple ou assez complexe. Une bonne conception sera efficace, durable, sûre et rentable. Les experts d'Astec peuvent vous aider à choisir le meilleur type de système pour votre application, à le concevoir et à le construire, et à vous fournir une assistance et un service.

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