COMMENT CONCEVOIR DES THERMOPLONGEURS POUR LES FLUIDES

La conception et les caractéristiques des thermoplongeurs peuvent varier considérablement, ce qui les rend précieux dans différents segments de l’industrie. Lorsqu’ils sont immergés dans des fluides, les thermoplongeurs fonctionnent principalement par conduction et convection. Le choix des formes, des matériaux de construction et du positionnement des thermoplongeurs est optimisé en fonction des propriétés physiques et chimiques des fluides, afin de fournir la puissance de chauffage souhaitée. Il est possible de concevoir différentes formes de thermoplongeurs, mais il est sage de toujours calculer la conception idéale dans chaque cas.

Il est essentiel, pour réussir à chauffer un liquide à écoulement continu, de dissiper la chaleur avec précision et à un rythme acceptable, tant dans des conditions stables que dynamiques. Par exemple, alors que dans un état statique stable, le calcul précis des besoins en chauffage peut convenir, dans un mode dynamique, la situation change considérablement et le temps de réponse thermique requis est plus crucial pour les réchauffeurs immergés. Les cas dynamiques peuvent nécessiter des formes géométriques spécifiques avec des surfaces plus élevées et des surfaces externes plus importantes. Les éléments tubulaires en serpentins en sont un exemple. L’utilisation des éléments chauffants tubulaires en serpentins permet de transférer davantage de chaleur au fluide, ce qui réduit le temps de chauffage tout en maintenant une densité de puissance basse. 

Conceptions d’éléments tubulaires en serpentins

La figure 1 présente deux conceptions d’un élément tubulaire en forme de serpentin. Dans le premier cas, l’image (a) montre un élément tubulaire plus large avec un diamètre de 0,475 pouce, comparé à l’image (b) montrant un serpentin similaire avec un diamètre de 0,260 pouce. 

L’image B peut être plus appropriée pour les applications nécessitant un chauffage plus rapide. En effet, le liquide préchauffé par le serpentin est exposé à une plus grande surface de contact à l’intérieur du serpentin. Ainsi, le transfert de chaleur est plus efficace. 

Ces changements de conception peuvent comporter des pièges. Un plus grand nombre de spirales peut produire différents effets sur l’écoulement des fluides, comme une plus grande friction qui peut restreindre l’écoulement du liquide en fonction de sa viscosité.

Figure 1 : (a) un élément tubulaire plus large (0,475 pouce de diamètre), (b) un élément tubulaire plus petit (0,260) (l’image est uniquement destinée à l’illustration et ne montre pas la bobine de résistance ou le MgO).

Une application distincte des éléments tubulaires est la dépolymérisation des déchets plastiques commerciaux. La dépolymérisation ou l’inversion de la polymérisation est un processus thermique ou catalytique qui nécessite une activité thermique pour favoriser une réaction chimique. Utilisant une source de chaleur quasi immédiate, les thermoplongeurs ont un temps de réponse rapide et sont des solutions idéales pour ce processus industriel. 

Composition des plastiques

La composition du plastique est un facteur qui influe sur le processus de préchauffage et la conception du thermoplongeur. Les plastiques les plus courants que l’on trouve dans ces flux sont le polyéthylène basse densité (PEBD), le polyéthylène haute densité (PEHD), le polystyrène (PS), le polychlorure de vinyle (PVC), le polytéréphtalate d’éthylène (PET) et d’autres encore. Chaque polymère a des caractéristiques différentes et présente des points de fusion différents.  Le calcul de la température exacte requise, en tenant compte du poids moléculaire (par exemple) pour le transfert de chaleur nécessaire, est essentiel non seulement pour une application correcte mais aussi pour la sécurité.

Le préchauffage du mélange de polymères a pour but de fournir juste assez d’énergie thermique pour liquéfier tous les composants polymères avant qu’ils n’entrent dans un réacteur thermique ou catalytique à lit fixe, à lit fluidisé, voire un réacteur CSTR, où la pyrolyse produira les monomères du flux d’entrée de plastique. La fluidisation du flux initialement solide est la partie la plus importante du processus de dé-polymérisation puisqu’elle permet :

• Le contrôle de la viscosité à l’entrée du réacteur
• Le contrôle de la densité à l’entrée du réacteur
• La capacité de mélange complète du mélange précédemment solide
• La possibilité d’utiliser un CSTR ou un lit fixe ou fluidisé.
• L’élimination efficace du charbon et des autres solides produits, au début du réacteur, minimisant ainsi le blocage et la perte d’efficacité.

Optimisation du chauffage par immersion

Les procédés de préchauffage sont optimisés et conçus en fonction de la concentration réelle de chaque composant, de ses caractéristiques ATG (principalement la température de début de dégradation) et des débits. L’optimisation du chauffage par immersion comprend la résolution dynamique d’un système complexe d’équations comprenant :

• Le taux d’adsorption de la chaleur de chaque composant à chaque température inférieure au domaine de fusion ; cela dépend des coefficients k individuels de chaque composant, de son domaine de fusion et du flux de chaque polymère. Pour une analyse dynamique complète, les distributions de taille des solides affectent également l’adsorption de chaleur. 
• Le taux d’adsorption de la chaleur pour chaque composant dans la plage de température de fusion. La situation est complexe puisque l’enthalpie pour le changement de phase est délivrée dans une gamme de températures. En fonction de la distribution des poids moléculaires de chaque polymère dans le mélange, cette enthalpie peut être délivrée de manière très inégale, ce qui entraîne de grandes complications dans la prédiction du transfert de chaleur et rend donc la conception du thermoplongeur très exigeante en termes de temps de réponse. 
• Les changements de viscosité cinétique autour de l’appareil de chauffage affectent le profil d’écoulement, le profil de vitesse et donc les exigences de transfert de chaleur.

Création d’un modèle de tâche

La tâche la plus difficile est peut-être de créer un modèle qui prédit le besoin de transfert de chaleur. Cela est nécessaire pour concevoir et développer le thermoplongeur le mieux adapté à chaque application. La façon la plus courante de réussir une telle tentative est d’utiliser les données ATG pour tous les composants du mélange polymère solide, de créer et de résoudre les équations couplées dans un environnement aux capacités mathématiques élevées, tel que MatLab, et enfin de concevoir le thermoplongeur qui :

• Peut produire une réponse thermique dynamique et contrôlée
• Peut produire des corrections rapides au transfert de chaleur
• Ne crée pas d’obstacles au flux de la dispersion solide