Solutions d’ingénierie thermique et fluides caloporteurs

Lors de la conception d’un circuit à huile thermique, plusieurs variables doivent être prises en compte pour garantir un fonctionnement correct. Parmi ces variables, certains paramètres revêtent une importance primordiale pour déterminer la conception finale:

• La quantité de chaleur à transférer
• Les températures d’entrée et de sortie au niveau de la chaudière et des consommateurs
• La chute de pression maximale admissible des deux côtés
• La température maximale de fonctionnement
• La pression maximale de fonctionnement
• Les débits de circulation
• Les pertes de charge du circuit

Une conception appropriée revêt une importance capitale non seulement pour garantir que la capacité de production de l’usine sera toujours celle requise, mais aussi afin de maximiser l’efficacité énergétique et réduire les coûts de production.

1. Objectif et dimensions de l’installation

Le premier élément à déterminer est l’utilisation de la chaudière à fluide thermique, c’est-à-dire sa fonction et les résultats escomptés. Les objectifs recherchés par le client seront le point de départ et l’élément clé qui détermineront comment ajuster le reste des variables de la configuration finale du circuit à huile thermique. Comprendre les besoins du client est primordial pour assurer une efficacité maximale de l’installation.

2. Configuration des serpentins

La plupart des serpentins de chauffage direct à l’huile thermique sont hélicoïdaux (en spirale). Plusieurs serpentins hélicoïdaux dans une seule chaudière peuvent s’avérer être plus efficaces qu’un seul serpentin, car cela permet de bénéficier d’une plus grande surface de chauffage, ce qui se traduit généralement par un transfert de chaleur plus efficace.

Par exemple, un système à double serpentin permet trois passages des gaz de combustion à travers les surfaces des serpentins.

3. Volume de la chambre de combustion

En autres variables, la chambre de combustion d’une chaudière à huile thermique doit être conçue en fonction de la taille de la flamme du brûleur installé. Le dimensionnement adéquat de la chambre de combustion empêche la flamme du brûleur de s’approcher trop près des serpentins d’huile, minimisant ainsi l’éventuel impact dommageable de la flamme. Le dimensionnement correct de la chambre de combustion permet également de maintenir le film à des températures relativement basses, et donc, de prolonger la durée de vie de l’huile thermique et protéger la chaudière.

4. Température du film

La température du film correspond à la température de surface des serpentins de la chaudière, qui est calculée en fonction de la température des gaz de combustion, de la température de l’huile et du coefficient du film.
La température du film est la température la plus élevée à laquelle l’huile thermique est exposée. Par conséquent, si la chambre de combustion est trop petite, la température du film peut être de 38 °C à 93 °C (100 °F à 200 °F) plus élevée que la température totale de l’huile. Ce qui peut entraîner une dégradation rapide du fluide caloporteur et donc réduire sa durée de vie. C’est pourquoi les températures maximales du film des différents modèles de chaudières doivent être soigneusement étudiées et comparées.

5. Calculer la surface de chauffage

Bien que deux chaudières puissent avoir des dimensions similaires, cela n’implique toutefois pas qu’elles présentent la même surface de chauffage ; par conséquent, calculer correctement la surface de transfert de chaleur revêt une importance primordiale au moment de concevoir une chaudière à huile thermique. Il est important de prendre en compte le facteur d’encrassement lors du dimensionnement de la surface de chauffage et de savoir que la taille de la surface de chauffage a une influence significative tant sur la température des gaz de combustion que sur l’efficacité thermique.

6. Température du processus

Les températures de fonctionnement de l’huile thermique doivent être définies en fonction de la température requise par le processus de production et de sa demande de chaleur. Un fonctionnement à des températures excessivement élevées peut réduire considérablement la durée de vie de l’huile thermique et, par la même, entraîner une augmentation des coûts et des arrêts de production inutiles. La plage de température admissible de l’huile thermique doit être supérieure à la température maximale de fonctionnement afin de minimiser la dégradation de l’huile thermique.

Les températures et les pressions de calcul doivent également faire l’objet d’une étude minutieuse au moment de concevoir une chaudière à huile thermique. Les pompes, les vannes, les filtres et les raccords doivent garantir un fonctionnement efficace dans les conditions maximales du processus.

7. Sécurité

Bien que, contrairement aux systèmes à vapeur, les chaudières à huile thermique n’exigent pas une surveillance permanente de la part d’un opérateur, un certain nombre de mesures de prévention et de maintenance doivent toutefois être prises pour garantir un fonctionnement en toute sécurité.

• Régulation du débit. Toutes les chaudières à huile thermique doivent intégrer le dispositif de sécurité le plus important pour leur fonctionnement : un régulateur de débit ; l’outil qui permet de détecter une insuffisance de débit susceptible d’entraîner une surchauffe de l’huile thermique pouvant à la longue endommager la chaudière. Une circulation insuffisante déclenche une alarme qui interrompt l’apport de chaleur si le débit chute en dessous d’un pourcentage préétabli. Cette sécurité est une sécurité tri-redondante.
• Régulation du brûleur. Un régulateur de brûleur permet de maintenir la température de l’huile. Toutefois, une température excessive de l’huile thermique ou des gaz de combustion doit être détectée par des sondes de température ou des thermocouples chargés, le cas échéant, d’interrompre immédiatement la source de chaleur. Le brûleur doit également être équipé d’un détecteur de flamme et d’un protecteur de flamme pour contrôler la flamme et détecter les éventuelles défaillances.
• Vase d’expansion. Situé sur le point le plus haut du circuit, le vase d’expansion a pour fonction de contenir tous les excès d’huile thermique dus à une dilatation du fluide à des températures élevées. Pour éviter l’oxydation, l’huile du vase d’expansion doit être maintenue à une température relativement basse (inférieure à 66 °C [150 °F]). En outre, le vase d’expansion doit être équipé d’au moins un contacteur de baisse de niveau chargé de détecter les éventuelles fuites d’huile. Lorsque le niveau du fluide est inférieur à un niveau préétabli, le contacteur doit se déclencher immédiatement et mettre le système à l’arrêt. Bien que la plupart des systèmes soient équipés d’un vase d’expansion ouvert à l’atmosphère, une soupape de sûreté au niveau de la sortie de la chaudière s’avère être une protection utile au cas où la chaudière s’isolerait du vase d’expansion, et donc, se mettrait sous pression.
• Dégazeur. La fonction du dégazeur est de séparer l’air ou la vapeur d’eau entraînés par l’huile en circulation. Cela peut être critique lors du démarrage du système si l’huile thermique contient une quantité considérable d’air ou d’eau.

8. Respect des réglementations

Il existe diverses réglementations fixant un certain nombre d’exigences et de caractéristiques de sécurité que tous les systèmes à fluide thermique doivent satisfaire. Ces réglementations varient en fonction de la zone géographique et sont d’application obligatoire. En tout état de cause, ces spécifications contribuent également à prolonger la durée de vie de l’installation.

9. Type de combustible et nettoyage

Les combustibles les plus couramment utilisés dans les chaudières à fluide thermique sont le gaz naturel, le propane, le gasoil et le fioul de soute. En utilisant des combustibles relativement propres, la plupart des serpentins de chauffage à l’huile thermique prennent en charge les produits de la combustion sans qu’aucun nettoyage supplémentaire soit nécessaire. Toutefois, si l’on utilise des fiouls de soute de mauvaise qualité, diverses mesures de nettoyage de la chambre de combustion doivent être prises.

Concernant les projets dans les cadres desquels un client potentiel nous contacte pour demander une nouvelle installation à fluide thermique, il est souhaitable que les deux parties collaborent lors non seulement de toutes les phases de conception, mais aussi de la mise en service de l’installation.

Nous recommandons de toujours impliquer l’entreprise qui fournit la technologie dans les processus d’ingénierie et de mise en service de l’installation, car les avantages à long terme compenseront largement les avantages à court terme.

Il ne fait aucun doute que le client bénéficiera de nombreux avantages en impliquant le fournisseur de l’installation lors de sa mise en service, car cela permettra de garantir un fonctionnement optimal de l’installation et obtenir les meilleures performances possibles tant en matière de production que de réduction des coûts découlant de la consommation d’énergie. Bien qu’une mise en service effectuée par le client lui-même lui permette sans nul doute de bénéficier d’un produit de qualité, il se peut que l’installation n’atteigne pas son efficacité maximale.