Régulateurs à huile avec système à circulation forcée
Principe
Le thermorégulateur à huile se compose d'un réchauffeur aux conditions d'écoulement clairement définies (réchauffeur à circulation forcée) qui, moyennant un dimensionnement adéquat, empêche toute surcharge thermique du fluide caloporteur. Dans notre exemple, le réchauffeur consiste en un tuyau à chauffage intégré d'une puissance de 20 ou 40 kW. Le chauffage est parcouru d’huile caloporteuse et est muni de déflecteurs pour la circulation forcée de l'huile. Ce principe présente une faible inertie thermique (faible capacité d’accumulation du réchauffeur) et entraîne un bon comportement de régulation. Le réchauffeur présente des conditions d’écoulement précises, c.-à-d. que la capacité de pompe (vitesse d'écoulement) et la puissance de chauffage (charge spécifique de la surface chauffante) sont assorties entre elles de manière que la température de film maximum indiquée par le fabricant de l'huile caloporteuse ne soit pas dépassée au sein du réchauffeur.
Le dimensionnement correct du réchauffeur est donc essentiel pour la sécurité de fonctionnement du thermorégulateur et la longévité de l’huile caloporteuse. Le dimensionnement du réchauffeur est déterminé par trois facteurs:
- la capacité de pompe (vitesse d’écoulement)
- la puissance de chauffage (charge spécifique de la surface chauffante, W/cm2)
- les dimensions
La relation entre ces trois facteurs est comme suit:
Une vitesse d'écoulement élevée permet une charge spécifique de surface chauffante plus élevée, ce qui entraîne une réduction des dimensions du réchauffeur et donc du régulateur.
Par contre, les pompes de plus grande puissance sont plus onéreuses. Une faible vitesse d'écoulement nécessite une charge spécifique de la surface chauffante plus faible, ce qui entraîne soit une puissance de chauffage relativement faible, soit des dimensions correspondantes du régulateur. On peut en revanche utiliser une pompe meilleur marché.
Les régulateurs sont en général conçus comme suit :
Outre les composants déjà mentionnés - contrôle de niveau, thermostat de sécurité, coupe-circuit automatique, relais thermique pour le moteur de la pompe -, un vase d'expansion, un by-pass et un contrôleur d’écoulement sont également prévus pour des raisons de sécurité. Le vase d'expansion assure la séparation de l’huile brûlante en circulation par rapport à l’atmosphère.
L’inconvénient du bain chauffant – vieillissement prématuré de l’huile à cause de l’oxydation – est largement compensé puisque l’huile brûlante en circulation est séparée de l’atmosphère par l’huile au repos dans le vase d'expansion. De même, ceci exclut les fuites de vapeur d'huile brûlante inflammables dans l'environnement. Avec des températures de départ très élevées au-delà du point d'ébullition de l’huile et pour réduire l'oxydation, on travaille avec une superposition de gaz inerte dans le vase d'expansion (superposition de pression avec de l'azote).
Le by-pass est commuté en parallèle au consommateur et remplit les fonctions ci-dessous:
- Protection de la pompe et du moteur de pompe contre la surcharge.
- Maintien d’un débit minimum au sein du régulateur en cas de circulation insuffisante côté consommateur, afin de ne pas dépasser la température de film maximum dans le réchauffeur et de ne pas soumettre l’huile caloporteuse à une surcharge thermique.
- Protection du consommateur raccordé contre une pression trop élevée (par ex. avec des réservoirs à double paroi).
- Adaptation du débit vers le consommateur (surtout pour des pompes à haut débit).
Comme le by-pass, la surveillance de flux surveille la circulation. Si l’on chute en-deçà du débit ou de la pression minimum réglés en usine (mesure indirecte du débit), le chauffage est coupé. La surveillance de flux se déclenche également lorsque l’écoulement devient irrégulier au sein du circuit de thermorégulation, quelle qu’en soit la cause. La surveillance de flux offre une plus grande protection contre la marche à sec de la pompe et contre surchauffe du régulateur. Les mesures de sécurité décrites ci-dessus lors du dimensionnement des régulateurs – circulation forcée, vase d'expansion, by-pass, surveillance de flux – donnent à l’exploitant les avantages suivants:
- Cokéfaction minimum et grande stabilité à l'oxydation, avec donc une plus grande durée de vie de l’huile
- Coût d’exploitation réduit et plus grande sécurité de fonctionnement du thermorégulateur
Le refroidisseur peut se composer d’un faisceau de tubes à l’intérieur duquel l’eau de refroidissement s’écoule et qui baigne dans l’huile caloporteuse. La soupape de retenue sur la sortie d'eau de refroidissement réduit l’entartrage du refroidisseur dû à l’eau qui retourne dans le refroidisseur. La pompe est généralement de type centrifuge avec garniture mécanique ou accouplement magnétique. Pour réduire la sollicitation thermique du refroidisseur et améliorer le comportement de régulation pendant le processus de refroidissement, les thermorégulateurs Regloplas pour des températures au-delà de 300 °C sont équipés d'une commutation by-pass pour le refroidisseur.
Fonctionnement:
- Chauffage : la vanne est fermée en position 12–2, c.-à-d. que le refroidisseur est ponté.
- Refroidissement : la vanne est ouverte en position 12–1, c.-à-d. que l’huile caloporteuse s’écoule à travers le refroidisseur et directement via le chauffage.
Le régulateur de température au sein du régulateur pilote la vanne à 3 voies via l’électrovanne.
La commutation de by-pass présente les avantages ci-dessous:
- Profil de température largement optimisé (pas de grand (très grand) dépassement vers le bas avec oscillation en fonction de la puissance de refroidissement).
- Diminution du choc thermique de l’échangeur de chaleur lors du processus de refroidissement, fonctionnement plus sûr.
- Tendance à l’entartrage réduite.
- Pas de fuites de vapeur en début et en fin de refroidissement.
La température de départ maximum est de 350 °C pour les régulateurs sans superposition de pression. Elle dépend de
- la température de film et de départ maximum de l’huile caloporteuse utilisée, ainsi que du
- dimensionnement du réchauffeur, c.-à-d. de la montée de température de l’huile sur les surfaces de chauffage. La montée de température dépend à son tour de la charge spécifique de la surface chauffante et de la vitesse d’écoulement.