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Les éléments chauffants à énergie fossile sont très puissants et leur électrification invite souvent deux grandes questions : quelle est la taille maximale d’un élément chauffant électrique, et quelles sont les conditions requises pour maintenir un contrôle efficace des grands éléments chauffants électriques ? Dans cet article, Dennis Long, Concepteur de systèmes en chef chez Watlow, une entreprise spécialisée dans la fabrication d’éléments chauffants industriels, répond à ces questions et explique pourquoi l’électrification est si importante.
La technologie des éléments chauffants a changé radicalement au cours des dix dernières années. C’est une excellente nouvelle pour l’industrie, car les éléments chauffants électriques doivent assurer des performances au moins équivalentes à celles des éléments à énergie fossile avec lesquels les ingénieurs sont familiers.
Avant d’envisager de remplacer les éléments chauffants à énergie fossile, il est essentiel de bien comprendre les capacités actuelles des éléments chauffants électriques. Par exemple, leur utilisation n’a aucun intérêt s’ils n’offrent ni la taille, ni la puissance requise pour les processus dépendant actuellement des énergies fossiles. La plupart de ces processus nécessitent des éléments à très forte puissance, au-delà des modèles standard d’un mégawatt (MW), tels que les éléments en lit fluide (FCC - Fluid Catalytic Cracking) qui consomment de 150 à 200 MW.
Avec des équipements de cette taille, une enveloppe unique peut intégrer deux échangeurs de chaleur. Ce type de configuration permet d’obtenir une enveloppe d’une puissance nominale de 15 MW, voire plus. Les rares fournisseurs proposant des éléments chauffants de ce niveau peuvent moduler la puissance en fonction des contraintes techniques. Ce niveau de taille et de puissance présente une alternative viable pour les opérations dépendant actuellement des énergies fossiles.
Outre la réduction de la consommation d’énergie fossile, les éléments chauffants électriques et les échangeurs de chaleur présentent des avantages bien documentés, tels qu’un décalage thermique plus réduit, une utilisation plus sûre, en raison de l’absence de flamme ou de combustion d’énergie fossile, et une taille réduite.
La plupart des ingénieurs n’ont jamais vu d’éléments chauffants et d’échangeurs de chaleur de cette taille ou présentant l’une de ces caractéristiques. Naturellement, les questions les plus fréquentes concernant ces éléments hors normes portent sur le contrôle, notamment les éléments supplémentaires requis pour la montée en puissance et comment cela affecte le système électrique existant.
S’il est vrai que les éléments chauffants sont rarement utilisés pour chauffer tous les processus de l’industrie pétrochimique, cela ne signifie pas pour autant que cette technologie n’a pas fait ses preuves. En fait, c’est tout le contraire.
Des dispositifs de commutation de puissance sont utilisés pour les éléments chauffants industriels basse puissance et des moteurs moyenne tension dans différentes industries depuis des années, et la capacité de contrôle de la tension est bien établie.
Les contrôleurs logiques programmables (PLC) permettent d’utiliser les éléments chauffants en ligne sans affecter les autres dispositifs connectés à la même source d’alimentation. L’élément chauffant et le contrôleur font partie d’un système en boucle fermée qui standardise l’intégration et permet de mieux contrôler l’ensemble du système. Cette technologie a fait ses preuves dans d’autres applications, ce qui réduit les risques pour les éléments chauffants destinés à la pétrochimie.
Il est utile de connaître les technologies qui permettent de remplacer les éléments chauffants traditionnels par des éléments chauffants et des échangeurs de chaleur électriques. Les éléments chauffants à technologie à flux hélicoïdal continu (CHF - Continuous Helical Flow) jouent un rôle essentiel pour rendre les éléments chauffants industriels plus robustes et économiques.
La technologie CHF évite d’utiliser les déflecteurs comme de petits éléments distincts et crée un grand enroulement unique à l’intérieur de la coque de l’élément chauffant. Ainsi, le flux suit une rotation hélicoïdale, ce qui améliore le coefficient de transfert thermique par unité de perte de charge. Cela signifie que les éléments chauffants à technologie CHF, tels que l’échangeur de chaleur HELIMAX® de Watlow, ne comportent pas de zones mortes ou de zones avec un débit insuffisant. Dans la mesure où il n’y a pas de perturbation du flux, cela réduit le nombre de points chauds et, par conséquent, le taux de pertes.
Un seul élément HELIMAX amovible peut fournir jusqu’à cinq mégawatts de plage de puissance, avec un encombrement inférieur à celui des échangeurs de chaleur à énergie fossile. En cumulant ce gain d’efficacité et la réduction de la maintenance pour gérer la cokéfaction, vous disposez d’un produit qui augmente la productivité tout en contribuant aux efforts de décarbonation.
De plus, il est essentiel de disposer de systèmes de contrôle rapides et fiables pour tous les échangeurs de chaleur modernes de grande taille, notamment pour le traitement des dérivés du pétrole, où les erreurs peuvent être très coûteuses. Aujourd’hui, les ingénieurs remarquent deux choses. Tout d’abord, il y a beaucoup plus d’opportunités d’utilisation d’éléments chauffants industriels offrant bien moins de contraintes énergétiques et environnementales que pensé auparavant et, ces systèmes de plusieurs MW offrent un contrôle précis et démontrable des processus et des températures de surface.
L’industrie doit abolir les obstacles à la transition énergétique pour fournir des solutions propres, efficaces et fiables d’électrification des processus recourant traditionnellement aux énergies fossiles. Choisir un partenaire fiable pour électrifier les éléments chauffants industriels est la solution la plus simple pour progresser dans l’application des cibles climatiques sans perturber la productivité ou la rentabilité.
