Consommation énergétique des cuves et réservoirs

Le chauffage des liquides dans les cuves et réservoirs est une exigence importante dans les industries de processus. Il existe de nombreux types de réservoirs aux utilisations variées. La détermination des besoins thermiques, les calculs de heat transfer et de pertes de chaleur sont tous couverts dans ce tutoriel.

Le chauffage des liquides dans les réservoirs est une exigence importante dans les industries de processus telles que l’industrie laitière, le traitement des métaux et l’industrie textile. L’eau peut nécessiter d’être chauffée pour fournir un utilitaire d’eau chaude ; alternativement, un liquide peut nécessiter d’être chauffé dans le cadre du processus de production lui-même, qu’une réaction chimique soit impliquée ou non. De tels processus peuvent inclure les bacs d’alimentation de chaudières, les bacs de lavage, les évaporateurs, les bassines d’ébullition, les chaudières à cuivre, les calandreuses et les rebouilleurs.

Les réservoirs ouverts et fermés sont utilisés pour un grand nombre d’applications de processus : Bacs d’alimentation de chaudières

Le bac d’alimentation de chaudière est au cœur de tout système de production de steam. Il fournit un réservoir de condensat de retour et d’eau de complément traitée, pour alimenter la chaudière. L’une des raisons de chauffer l’eau est de réduire l’oxygène entrant dans la chaudière, avec (théoriquement) 0 ppm d’oxygène à 100 °C. Les bacs d’alimentation de chaudières fonctionnent normalement entre 80 °C et 90 °C. Réservoirs d’eau chaude

L’eau chaude est nécessaire pour un certain nombre de processus dans l’industrie. Elle est souvent chauffée dans des réservoirs simples, ouverts ou fermés, qui utilisent la steam comme milieu de chauffage. La température de fonctionnement peut être comprise entre 40 °C et 85 °C selon l’application. Bacs de dégraissage

Le dégraissage est le processus par lequel les dépôts de graisse et d’huile de refroidissement sont éliminés des surfaces métalliques, après usinage et avant l’assemblage final du produit. Dans un bac de dégraissage, le matériau est plongé dans une solution, qui est chauffée par des serpentins à une température comprise entre 90 °C et 95 °C. Bacs de traitement des métaux

Les bacs de traitement des métaux, parfois appelés cuves, sont utilisés dans un certain nombre de processus différents :

• Pour éliminer le tartre ou la rouille.
• Pour appliquer un revêtement métallique sur les surfaces. Les températures de traitement varient typiquement de 70 °C à 85 °C. Réservoirs de stockage d’huile

Des réservoirs de stockage sont nécessaires pour contenir les huiles qui ne peuvent pas être pompées aux températures ambiantes, telles que le fioul lourd pour les chaudières. Aux températures ambiantes, l’huile lourde est très épaisse et doit être chauffée à 30 °C - 40 °C pour réduire sa viscosité et permettre son pompage. Cela signifie que tous les réservoirs de stockage de fioul lourd doivent être équipés d’un système de chauffage pour faciliter le pompage. Réservoirs de chauffage utilisés dans les industries de processus

Les réservoirs de chauffage sont utilisés par un certain nombre d’industries de processus, voir Tableau 2.9.1.

Tableau 2.9.1 Industries de processus utilisant des réservoirs de chauffage

Dans certaines applications, le fluide de processus peut avoir atteint sa température de fonctionnement, et le seul besoin thermique peut être dû aux pertes de la surface solide des parois et/ou aux pertes de la surface du liquide.

Ce module traitera des calculs déterminant les besoins énergétiques des réservoirs : les deux modules suivants (2.10 et 2.11) traiteront de la manière dont cette énergie peut être fournie. Lors de la détermination du besoin thermique d’un réservoir ou d’une cuve de fluide de processus, le besoin thermique total peut se composer de certains ou de la totalité des composants clés suivants :

1. La chaleur nécessaire pour élever la température du fluide de processus du froid à sa température de fonctionnement.
2. La chaleur nécessaire pour élever le matériau du récipient du froid à sa température de fonctionnement.
3. La chaleur perdue de la surface solide du récipient vers l’atmosphère.
4. La chaleur perdue de la surface du liquide exposée à l’atmosphère.
5. La chaleur absorbée par tout article froid plongé dans le fluide de processus. Cependant, dans de nombreuses applications, seuls certains des composants ci-dessus seront significatifs. Par exemple, dans le cas d’un réservoir de stockage de fioul en vrac entièrement fermé et bien isolé, le besoin thermique total peut être presque entièrement constitué de la chaleur nécessaire pour élever la température du fluide. Les points 1 et 2, l’énergie nécessaire pour élever la température du liquide et du matériau du récipient, et le point 5, la chaleur absorbée par tout article froid plongé dans le fluide de processus, peuvent être trouvés en utilisant l’Équation 2.6.1. En général, les données peuvent être définies avec précision, et par conséquent le calcul du besoin thermique est simple et précis.

Les points 3 et 4, les pertes de chaleur des surfaces du récipient et du liquide peuvent être déterminées en utilisant l’Équation 2.5.3.

Cependant, les calculs de pertes de chaleur sont beaucoup plus complexes, et on doit généralement s’appuyer sur des données empiriques ou des tableaux basés sur plusieurs hypothèses. Il s’ensuit que les calculs de pertes de chaleur sont moins précis.

Perte de chaleur de la surface solide du récipient vers l’atmosphère La chaleur ne sera transférée que s’il existe une différence de température entre la surface et l’air ambiant. La Figure 2.9.1 fournit quelques coefficients de heat transfer globaux typiques pour le transfert de chaleur depuis des surfaces planes en acier nu vers l’air ambiant. Si le fond du réservoir n’est pas exposé à l’air ambiant, mais est posé à plat sur le sol, il est habituel de considérer cette composante des pertes de chaleur comme négligeable et elle peut être ignorée sans risque.

• Pour 25 mm d’isolation, la valeur U doit être multipliée par un facteur de 0,2.
• Pour 50 mm d’isolation, la valeur U doit être multipliée par un facteur de 0,1. Les coefficients de heat transfer globaux fournis à la Figure 2.9.1 ne sont valables que pour des conditions d’« air calme ».

Le Tableau 2.9.2 montre les facteurs de multiplication qui doivent être appliqués à ces valeurs si une vitesse d’air est prise en compte. Cependant, si la surface est bien isolée, la vitesse de l’air n’est pas susceptible d’augmenter la perte de chaleur de plus de 10 % même dans des conditions exposées.

Tableau 2.9.2 Effet sur le heat transfer avec mouvement d’air

Les vitesses inférieures à 1 m/s peuvent être considérées comme des conditions abritées, tandis que 5 m/s peuvent être considérés comme une brise légère (environ 3 sur l’échelle de Beaufort), 10 m/s une brise fraîche (Beaufort 5), et 16 m/s un coup de vent modéré (Beaufort 7).

Pour les réservoirs de stockage de fioul en vrac, les coefficients de heat transfer globaux cités dans le Tableau 2.9.3 peuvent être utilisés.

Tableau 2.9.3 Coefficients de heat transfer globaux pour les réservoirs d’huile

Réservoirs d’eau : perte de chaleur de la surface de l’eau vers l’atmosphère La Figure 2.9.2 relie la perte de chaleur d’une surface d’eau à la vitesse de l’air et à la température de surface. Dans ce diagramme, l’air « calme » est considéré comme ayant une vitesse de 1 m/s, les réservoirs en position abritée en extérieur considèrent des vitesses d’environ 4 m/s, tandis que les réservoirs en position exposée en extérieur sont considérés avec des vitesses d’environ 8 m/s. Ce diagramme fournit la perte de chaleur en W/m² plutôt que les unités du coefficient de heat transfer global de W/m² °C. Cela signifie que cette valeur doit être multipliée par l’aire de surface pour fournir un taux de heat transfer, car la différence de température eau-air a déjà été prise en compte. Les pertes de chaleur de la surface de l’eau, comme le montre la Figure 2.9.2, ne sont pas significativement affectées par l’humidité de l’air. La plage complète d’humidités susceptibles d’être rencontrées en pratique est couverte par l’épaisseur de la courbe. Cependant, le graphique considère les pertes de chaleur avec une température de l’air de 15,6 °C et une humidité de l’air de 55 %. Des conditions différentes de celles-ci peuvent être calculées depuis le Centre de support technique sur le site web Spirax Sarco. Pour déterminer la perte de chaleur à partir du diagramme, la température de surface de l’eau doit être sélectionnée sur l’échelle supérieure. Une ligne doit ensuite être projetée verticalement vers le bas jusqu’à la courbe de perte de chaleur (en gras).

Pour les réservoirs intérieurs, une ligne doit être projetée horizontalement depuis l’intersection vers l’échelle de gauche. Pour les réservoirs extérieurs, une ligne horizontale doit être projetée vers la gauche ou la droite jusqu’à ce qu’elle croise l’emplacement requis, soit abrité soit exposé. Une projection verticale vers le bas révélera alors la perte de chaleur sur l’échelle inférieure. Dans la plupart des cas, la perte de chaleur de la surface du liquide est probablement l’élément de perte de chaleur le plus significatif. Lorsque c’est possible, la perte de chaleur peut être limitée en couvrant la surface du liquide d’une couche de billes de polystyrène qui fournissent une « couverture » isolante. Toute solution pour réduire les pertes de chaleur devient encore plus importante lorsque les réservoirs sont situés à l’extérieur en position exposée comme le montre le graphique de la Figure 2.9.2.

Exemple 2.9.1

Pour le réservoir montré à la Figure 2.9.3, déterminez : Partie 1. Le taux de heat transfer moyen requis pendant le démarrage. Partie 2. Le taux de heat transfer maximum requis pendant le fonctionnement.

• Le réservoir n’est pas isolé et est ouvert sur le dessus, situé sur un sol en béton à l’intérieur d’une usine. Il mesure 3 m de long sur 3 m de large sur 2 m de haut. Aire de surface totale du réservoir = 24 m² (base exclue). Coefficient de heat transfer réservoir/air, U1 = 11 W/m² °C. Le réservoir est rempli aux 2/3 d’une solution d’acide dilué (cp = 3,9 kJ/kg °C) qui a la même densité que l’eau (1 000 kg/m³).
• Le réservoir est fabriqué en tôle d’acier doux de 15 mm. (Densité = 7 850 kg/m³, cp = 0,5 kJ/kg °C).
• Le réservoir est utilisé tous les deux jours, lorsque la solution doit être portée de la température ambiante la plus basse considérée de 8 °C à 60 °C en 2 heures, et rester à cette température pendant la journée.
• Lorsque le réservoir est à température, un article en acier de 500 kg doit être plongé toutes les 20 minutes sans que le réservoir ne déborde. (cp = 0,5 kJ/kg °C).

Partie 1 - Déterminer le taux de heat transfer moyen requis pendant Q̇M (démarrage)

Partie 1.2 Équation Chauffage du matériau du réservoir Q̇M (réservoir)

Partie 1.3 Pertes de chaleur des parois du réservoir Q̇M (parois)

Partie 1.4 Pertes de chaleur de la surface du liquide Q̇M (surface)

Partie 1.5 Besoin total moyen de heat transfer Q̇M (démarrage)

Partie 2 - Déterminer la charge en service, c’est-à-dire le taux de heat transfer maximum requis pendant le fonctionnement Q̇(opération)

En conditions de fonctionnement, le liquide et le réservoir (A1 et A2, page 2.9.6) sont déjà à la température de fonctionnement, donc les composants de chauffage = 0. En conditions de fonctionnement, les pertes de chaleur du liquide et du réservoir (A3 et A4) seront plus importantes. Cela est dû à la plus grande différence entre les températures du liquide et du réservoir et de l’environnement. L’immersion de l’article dans le liquide est clairement l’objectif du processus, donc cette charge thermique doit être calculée et ajoutée aux pertes de chaleur de la charge en service.

Partie 2.1 Pertes de chaleur des parois du réservoir

Partie 2.2 Pertes de chaleur de la surface du liquide Q̇(surface)

Partie 2.3 Chauffage des articles en acier immergés dans le réservoir Q̇(article)

Partie 2.4 Besoins totaux moyens de heat transfer Q̇(opération) (La charge en service)

Notez que le besoin énergétique en fonctionnement (59 kW) est significativement inférieur au besoin énergétique au démarrage (367 kW). C’est typique, et, lorsque c’est possible, la période de démarrage peut être étendue.

Cela aura pour effet de réduire le débit énergétique maximal et présente les avantages de niveler la demande sur la chaudière et de solliciter moins le système de régulation de température. Pour les réservoirs qui doivent fonctionner en continu, il est souvent nécessaire de calculer uniquement les besoins en fonctionnement, c’est-à-dire les calculs de la Partie 2.