Surchauffe des thermoplongeurs
Dans un bain équipé d’un thermoplongeur, on constate des écarts importants entre les températures caractéristiques : température de surface du corps de chauffe, température du milieu chauffé aux contacts du thermoplongeur, température moyenne du milieu, température de consigne. De nombreux défauts peuvent amplifier ces écarts et conduire à une surchauffe : bulles d’air, dépôts de matières oxydées, niveau de fluide trop bas … Il en résulte une surchauffe localisée du corps de chauffe qui peut provoquer sa destruction, une dégradation du fluide chauffé et parfois un incendie ou une explosion ! Il est vital de comprendre les mécanismes et d’installer des sécurités.
Chauffage de liquide
Pour chauffer un liquide, la surface d’un thermoplongeur doit atteindre une température plus élevée, généralement de plusieurs dizaines de degrés. Cet écart dépend de la qualité de l’échange thermique, elle-même fonction des propriétés thermiques du fluide à chauffer et des phénomènes de convection.
Prenons l’exemple d’un thermoplongeur de cuisine basique (voir illustration à droite). Lorsqu’il est plongé dans de l’eau à température ambiante et branché, il se forme rapidement des courants de convection et un gradient de température entre le corps de chauffe et l’eau. Les turbulences formées évacuent la chaleur produite. Sans le refroidissement amené par l’eau froide, le fil du corps de chauffe peut atteindre très rapidement des températures de 800 à 1000°C. Ces appareils ne doivent donc pas être mis sous tension lorsqu’ils ne sont pas plongés dans un liquide, sous peine de destruction du thermoplongeur !
Ces phénomènes sont complexes et très difficiles à calculer globalement. La simulation numérique par éléments finis permet toutefois de modéliser des situations précises et de vérifier le comportement du système, pour autant que soient connues les caractéristiques physiques et thermiques du fluide et des matériaux du thermoplongeur.
Qualité de l’échange thermique
L’échange thermique est d’autant plus performant que les caractéristiques ci-après sont élevées :
A contrario, toutes les configurations qui tendent à réduire ces valeurs entraînent une augmentation de la température de surface du corps de chauffe ainsi qu’une surchauffe localisée du fluide en contact. Des précautions doivent être prises pour préserver les composants sensibles à la température et pour diminuer les gradients thermiques.
Causes de surchauffe
Dans l’exemple du thermoplongeur ménager de l’illustration ci-dessus, les molécules d’eau qui entrent en contact avec le corps de chauffe peuvent donc facilement dépasser la température d’ébullition de l’eau, et former des bulles de vapeur d’eau.
S’il s’agissait d’un produit plus sensible à la température, par exemple des denrées alimentaires ou certains composés chimiques, ces produits seraient dégradés. Le phénomène est encore accru lorsque la surface est isolante, par exemple de l’air retenu par des composés de corrosion, des résidus poreux, du calcaire, des incrustations de matière collée en surface du thermoplongeur, une accumulation de boues résiduelles ou lorsque le fluide à chauffer a une faible conductivité thermique.
Une forte corrosion du corps de chauffe est une cause fréquente de surchauffe. De nombreux facteurs interviennent, la composition chimique du bain, l’aération, la formation de sous-produits ionisés, le cas échéant un champ électrique, etc. Tous ces éléments doivent figurer dans le cahier des charges du thermoplongeur pour qu’ils soient pris en compte dans le choix des matériaux.
Les feux de bains thermostatés comme en ont connus beaucoup d’étudiants en chimie ou en polymères sont souvent dus à une baisse du niveau de fluide dans la cuve. On oublie parfois de compenser les pertes par évaporation et par prélèvement volontaire ou inhérent aux contrôles par exemple. Une partie chaude du corps de chauffe se trouve ainsi au-dessus du niveau du liquide et surchauffe.
Sécurisation des bains thermostatés
Les risques augmentent exponentiellement avec la durée du process. Le travail avec des fluides sensibles ou explosifs nécessite une surveillance humaine renforcée et des sécurités automatiques.
Dans tous les cas de figure, on observera les règles ci-dessous.
Fixation du corps de chauffe
Les systèmes de fixation doivent être conçus pour répondre à des exigences contradictoires :
Contrôle de niveau
Un détecteur de niveau fiable doit mesurer les variations de niveau hors tolérances. Il sera couplé à une alarme et à une coupure du chauffage, ou à une compensation automatique du fluide évaporé.
Protection thermique
Des protections thermiques peuvent être installées à plusieurs niveaux :
Entretien
Des procédures d’inspection du matériel, de contrôle de fonctionnement et de nettoyage du bain (cuve, circulateur, thermoplongeur, …) doivent être testées et appliquées. Un suivi écrit et commenté permet d’améliorer les procédures en fonction de l’expérience.
Agitation du fluide
La convection naturelle ne suffit pas toujours à obtenir un bon échange thermique : l’écart de température entre le fluide et le corps de chauffe est trop important. La taille et la forme de la cuve sont aussi responsables de zones stagnantes et donc de défauts d’homogénéité de température.
On résout ces 2 problèmes en agitant le liquide, en particulier dans la zone où est fixé le thermoplongeur. Une pompe de circulation puissante est très efficace à cet égard, et elle permet en plus d’homogénéiser la température du bain.
Choix d’une puissance de chauffage adaptée
Selon sa composition chimique, le bain favorisera plus ou moins l’accumulation de résidus solides à la surface du corps de chauffe. Pour des fluides sensibles, on peut réduire le différentiel de température en augmentant la surface du corps de chauffe pour une même puissance. A titre d’exemple, la puissance surfacique recommandée pour certains bains de phosphatation ne dépasse pas 1 W/cm2, soit 10 fois moins qu’un thermoplongeur standard pour de l’eau.
Régulation de température
Les régulations de températures les plus simples fonctionnent en “tout ou rien”. Tant que la température du bain est plus faible que la température de consigne, le chauffage est alimenté à sa tension nominale. Dès que la température de consigne est atteinte, la régulation coupe le chauffage.
L’inertie thermique du corps de chauffe produit une courbe de température en dents de scie, comme représentée schématiquement ci-dessous par la courbe rouge. C’est insuffisant pour la plupart des processus industriels. On utilise donc un autre principe de régulation, la commande proportionnelle ou commande PID. Schématiquement, on varie la puissance de chauffage proportionnellement à la différence de température entre la consigne et la mesure. La résultante est un maintien beaucoup plus stable, représenté par la courbe verte.
Emplacement des capteurs de température pour la régulation
L’emplacement du ou des capteurs de température liés à la régulation joue aussi un rôle majeur. Mal placé, ils peuvent amplifier les variations de température effective des couches limites, et augmenter les risques de surchauffe localisée.
La première précaution à suivre est de fixer les capteurs et de les positionner dans des zones protégées des chocs et bien brassées. Ensuite, on exclut les zones particulières :
Conception d’un bain thermostaté industriel
Les bains thermostatés de laboratoire sont étudiés pour répondre aux besoins courants des chercheurs tout en assurant une sécurité optimale.
Les bains chauffants industriels font par contre souvent partie d’un process spécifique à l’entreprise et à ses produits. Ils sont conçus sur la base des savoir-faire combinés de plusieurs entreprises :
L’ENTREPRISE DE PRODUCTION, qui définit les modes opératoires et les conditions opérationnelles
LE FOURNISSEUR DES PRODUITS DE TRAITEMENT, qui précise les conditions d’utilisation de ses produits, les consignes de sécurité. Il fait aussi bénéficier son client de son expérience.
LE FABRICANT DES CUVES OU DES LIGNES DE TRAITEMENT CONTINU, qui peut être chaudronnier ou fabricant spécialisé de certains processus de traitements.
LE FABRICANT DES SYSTEMES DE CHAUFFAGE, qui fournit les éléments chauffants et les régulations selon le cahier des charges établi par le fabricant des cuves, ou qui conçoit la partie du process chaud. Dans ce dernier cas, il doit intégrer les spécifications des liquides chauffés et une bonne maîtrise de l’électrothermie ainsi que de la mécanique des fluides. Il pourra optimiser la conception du process de façon encore plus efficace s’il dispose d’outils tels la simulation 3D thermique et de flux.
