Conception correcte des systèmes d’échange de chaleur par lots

Les systèmes de chauffage ou de refroidissement par lots sont présents dans de nombreux endroits de l’industrie moderne (procédés, alimentation, produits pharmaceutiques, etc.). Dans ces systèmes, un récipient est rempli de contenu et doit être chauffé ou refroidi dans un laps de temps prédéfini. Il est important de faire la distinction entre le chauffage direct de la cuve (à l’aide d’une enveloppe ou d’un serpentin interne) et le chauffage indirect à l’aide d’un échangeur de chaleur externe et d’une pompe de recirculation du produit.

Introduction

Les systèmes de chauffage ou de refroidissement par lots sont présents dans de nombreux endroits de l’industrie moderne (procédés, alimentation, produits pharmaceutiques, etc.). Dans ces systèmes, un récipient est rempli de contenu et doit être chauffé ou refroidi dans un laps de temps prédéfini. Nous pouvons faire la distinction entre le chauffage direct de la cuve (chemise ou serpentin interne) et le chauffage indirect à l’aide d’un échangeur de chaleur externe et d’une pompe de recirculation du produit. Voir la figure ci-dessous.

 

 

Les avantages de l’utilisation d’un échangeur de chaleur externe sont les suivants :

• En choisissant le bon flux de recirculation du produit, il est possible de concevoir un échangeur de chaleur avec une vitesse élevée suffisante du côté du produit. Cela permet de maintenir des taux de transfert de chaleur élevés et de réduire les effets négatifs de l’encrassement du transfert de chaleur.
• Il est plus facile de concevoir une installation avec un transfert de chaleur important.
• Les réservoirs existants sans enveloppe ni serpentin peuvent être transformés en systèmes de chauffage ou de refroidissement par lots en ajoutant une pompe, un échangeur de chaleur et une tuyauterie.

Définition du système

La figure suivante montre une configuration détaillée d’un système discontinu avec un échangeur de chaleur externe.

1. Dans la figure, la cuve est remplie de produit jusqu’au niveau souhaité. Mb est la masse totale du lot (kg). Tbi est la température initiale du lot (°C). Tbe est la température de fin de lot souhaitée (°C).
2. La pompe est mise en marche et le produit est recirculé. Fp est le débit du produit (kg/h).
3. Le fluide de service est acheminé vers l’échangeur de chaleur. Fs est le débit du fluide de service (kg/h). Tsi est la température d’entrée de service (°C). Tso est la température de sortie du service (°C).
4. Le lot est lentement chauffé ou refroidi (selon l’application). Tpi est la température d’entrée de l’échangeur de chaleur (°C). Tpi est égale à la température du lot. On suppose que l’agitateur assure un bon mélange et une température homogène du lot complet.
5. Lorsque le Tbe est atteint, la recirculation du produit est arrêtée et le contenu de la cuve est vidé.
6. Des instruments placés aux points clés (transmetteurs de débit, de température et de niveau, FT, TT, LT) permettent de surveiller les paramètres du processus et de le contrôler.
7. Il est possible de travailler avec différents types de fluides de service : un fluide de service isotherme signifie que l’on travaille avec un fluide qui subit un changement de phase. Par exemple, la vapeur utilisée pour le chauffage. Un fluide de service non isotherme signifie que l’on travaille avec un fluide qui ne change pas de phase ; par exemple, de l’eau pour le chauffage ou le refroidissement qui n’est pas portée à des températures d’ébullition ou de congélation.

Lignes directrices pour la conception

Lors de la conception d’un système de chauffage ou de refroidissement par lots, le problème est généralement présenté comme suit :

Chauffage de 1 m³ d’eau de 20 à 90°C en utilisant de l’eau surchauffée comme fluide de service. Temps de chauffage par lot requis : 30 minutes maximum.

Pour la conception d’un tel système de traitement par lots, il y a de nombreuses variables à prendre en compte. Nous avons souligné ci-dessous les paramètres de conception les plus importants et fourni quelques règles de base qui aideront l’ingénieur concepteur à trouver la meilleure solution pour le système.

Masse totale du système

Dans un système de chauffage ou de refroidissement par lots, les matériaux utilisés dans le récipient, la tuyauterie, la pompe et l’échangeur de chaleur font partie du processus de transfert de chaleur. Dans l’exemple ci-dessus, ces matériaux se réchaufferont également de 20 à 90°C. Une partie de la chaleur dégagée par l’eau surchauffée est donc absorbée par les matériaux environnants. Normalement, ce pourcentage de chaleur absorbée est bien inférieur à la chaleur absorbée par la masse du lot.

L’apport de chaleur à la masse du système représente une petite fraction de l’apport total de chaleur, mais il doit néanmoins être évalué en tant que source de perte potentielle d’apport de chaleur à des éléments autres que le contenu du récipient. La bonne méthode consiste à calculer/estimer la masse et la chaleur spécifique du système et à utiliser ces données dans le calcul du chauffage par lots.

Débit de recirculation du produit, Fp

Fp est un paramètre important. Une modification de Fp a une influence directe sur le temps de séjour nécessaire. Il est recommandé que le temps de traitement soit suffisant pour que la masse totale du lot soit pompée à travers l’échangeur de chaleur plusieurs fois. Par exemple, pour un lot de 1 000 litres avec une durée de traitement de 1 heure et une valeur Fp de 1 000 litres/heure, chaque litre de produit ne passe qu’une fois en moyenne dans l’échangeur de chaleur. En passant à un débit de 3 000 l/h, chaque litre de produit passe trois fois dans l’échangeur de chaleur. Une réduction du débit du produit signifie qu’une plus grande surface de transfert de chaleur est nécessaire pour respecter le temps de traitement requis.

Nous avons vu des cas où une réduction de 50 % de Fp nécessitait l’installation de 30 % de surface de transfert de chaleur en plus. En général, l’investissement supplémentaire pour la zone de transfert de chaleur est supérieur au coût économisé pour une pompe de moindre capacité.

Il faut également veiller à ne pas sélectionner des valeurs Fp trop élevées, car cela pourrait entraîner une augmentation des coûts de pompage. L’investissement en capital est réduit, mais les coûts d’exploitation peuvent être beaucoup plus élevés.

En règle générale, nous recommandons de commencer la conception avec un débit qui permettra de pomper la masse du lot environ trois fois pendant la durée du lot nécessaire.

Débit de fluide de service, Fs

Pour analyser l’écoulement du fluide de service, nous devons faire la distinction entre les fluides de service isothermes et non isothermes.

Pour les fluides de service isothermes, le temps de séjour ne dépend pas de Fs. Lorsque le chauffage à la vapeur est utilisé, la quantité de vapeur condensée dépend de la capacité de transfert de chaleur de l’échangeur de chaleur : U x A et de la différence de température entre le flux de service et le flux de produit.

• U = coefficient de transfert de chaleur (kcal/hr.m².°C)
• A = surface de l’échangeur de chaleur (m²)

Le système étant isotherme du côté service, la différence de température entre le service et le produit ne change pas en raison d’une modification du débit de service.

Pour les fluides de service non isothermes, la situation est différente. Une réduction de Fs peut entraîner une plus grande différence de température entre l’entrée et la sortie du service et la différence de température moyenne entre le service et le produit diminuera. La capacité de transfert de chaleur est affectée et le temps de séjour augmente. La vitesse du fluide dans l’échangeur de chaleur diminue également, ce qui entraîne une réduction du coefficient de transfert de chaleur. Pour compenser, il faut installer une plus grande surface de transfert de chaleur.

Nous recommandons de commencer le processus de conception avec des valeurs de Fs comprises entre deux et trois fois la valeur de Fp.

Température de service du fluide, Ts

Normalement, la température du fluide de service ne peut pas être modifiée. L’eau de refroidissement ou de chauffage peut être mise à disposition par un système central qui fournit des services à diverses installations dans l’usine et les températures ne peuvent pas être modifiées pour les systèmes de lots individuels. Ce n’est pas le cas lorsque l’on travaille avec de la vapeur de chaudière, par exemple. Les chaudières fournissent de la vapeur à une pression de 6 à 8 bars et au point de consommation de la vapeur, la température de la vapeur peut être régulée en installant des vannes de réduction de pression et/ou de contrôle. En général, plus la température de la vapeur est élevée, plus la différence de température entre le service et le produit est importante et plus les temps de traitement sont courts.

Toutefois, il est important que la température de service ne soit pas si élevée qu’elle entraîne une surchauffe du lot de produits. Des situations similaires peuvent se produire dans les applications de refroidissement, avec le risque que les produits soient amenés à des températures inférieures à leur point de congélation. Par exemple :

1000 kg de produit de solution aqueuse (point d’ébullition 100°C) avec une chaleur spécifique de 1 kcal/kg.°C, à chauffer de 20 à 80°C avec de la vapeur de chaudière en 30 minutes. La masse du système est égale à 200 kg d’acier inoxydable avec une chaleur spécifique de 0,12 kcal/kg.°C. La pompe de recirculation a un débit maximum de 3000 kg/h.

L’ingénieur d’études propose une solution impliquant une température de vapeur de 120 °C, un échangeur de chaleur de 1,5 m² et un coefficient de transfert de chaleur de 2000 kcal/hr.m².°C. Il calcule un temps de chauffage par lot de 29 minutes et 41 secondes. Il oublie de calculer les températures de sortie du produit à la sortie de l’échangeur de chaleur. S’il l’avait fait, voici le tableau des températures qu’il aurait obtenu :

La durée totale de chauffage du lot est d’un peu plus de 30 minutes, mais la température de sortie du produit n’a pas dépassé le point d’ébullition.

Une meilleure solution au problème serait de changer la pompe et de travailler avec un débit de recirculation du produit plus élevé. En doublant le débit à 6 000 kg/h, nous pouvons réduire la surface de transfert de chaleur à 1,1 m² tout en évitant la surchauffe du produit :

À 6 000 kg/h, la masse totale du lot est pompée trois fois au cours de la période de 30 minutes du lot. Cela coïncide avec la recommandation donnée dans l’analyse précédente du flux de recirculation du produit.

Nous vous recommandons vivement de toujours vérifier la température de sortie du produit au niveau de l’échangeur de chaleur et de vous assurer qu’elle reste inférieure aux valeurs maximales acceptables.

Coefficient de transfert de chaleur et surface de transfert de chaleur, U et A

Ces deux paramètres sont étroitement liés dans le processus de conception. Normalement, les débits de produit et de service sont d’abord définis, puis le calcul du transfert de chaleur est effectué. Une fois U connu, on choisit une valeur de A qui correspond au temps de traitement par lots souhaité. Des valeurs de A trop élevées conduiront à des échangeurs de chaleur coûteux. On peut alors choisir de modifier les conditions du procédé de manière à ce que U augmente et que A soit réduit.

Une autre façon de réduire la surface de transfert de chaleur nécessaire consiste à modifier la température de service afin d’obtenir une plus grande différence entre le service et le produit, mais, comme nous l’avons déjà vu, cela peut entraîner des effets indésirables, d’où la nécessité de faire preuve de prudence.

Pour les fluides dont les propriétés physiques sont stables sur la plage de température, une bonne approximation consiste à calculer U à la température moyenne du procédé discontinu.

Pour les liquides dont les valeurs varient, il est recommandé de calculer U pour les conditions de début et de fin du processus discontinu, puis de calculer la valeur U moyenne des deux, qui sera utilisée dans le calcul de la durée du processus discontinu.

Parmi les exemples de systèmes dont les valeurs U changent, on peut citer

• Les chauffages discontinus utilisant de la vapeur présentent des coefficients de transfert de chaleur plus élevés à la fin du lot qu’au début.
• Les applications de refroidissement par lots peuvent entraîner des changements importants dans la viscosité du produit. C’est souvent le cas dans l’industrie alimentaire, où l’augmentation de la viscosité à la fin du processus de refroidissement par lots réduit les coefficients de transfert de chaleur.

Limitations de l’espace

D’un point de vue économique, les échangeurs de chaleur tubulaires pour les procédés discontinus sont mieux conçus pour être plus longs avec un diamètre d’enveloppe plus petit, plutôt que d’être plus courts avec un diamètre d’enveloppe plus grand.

Si l’espace n’est pas limité, optez pour des échangeurs de chaleur tubulaires plus longs.

La situation est différente pour les échangeurs de chaleur à plaques, qui sont très compacts par nature et peuvent être conçus dans des espaces beaucoup plus réduits. Cependant, certaines applications nécessitent des échangeurs de chaleur tubulaires. Si l’espace est limité, il existe d’autres solutions :

Échangeur de chaleur multi-passages:

Les échangeurs de chaleur multi-passages sont une bonne solution pour les applications discontinues avec des fluides de service isothermes.

Pour les systèmes discontinus avec un fluide de service non isotherme, évitez autant que possible les croisements de température.

Si les unités multi-passages ne sont pas envisageables, il est possible de concevoir des modules d’échangeurs de chaleur à passage unique en série, reliés entre eux par des coudes d’interconnexion. De cette façon, la configuration combinée peut fournir la longueur thermique totale nécessaire dans un flux de contre-courant pur dans un espace plus petit. La longueur maximale du module est définie par les limitations d’espace.

Les modules à passage unique de longueur réduite, connectés en série, sont une bonne solution pour les applications discontinues avec des croisements de température et des limitations d’espace.