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OCP_YOUSSOUFIA / ENSAM
Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 1
-
___________________________________
ROYAUME DU MAROC
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS
ET METIERS_MEKNES
RAPPORT DE STAGE TECHNIQUE
SUJET: ETUDE CRITIQUE DU CIRCUIT DE FUEL
DE L'USINE DE SECHAGE
Elaboré par : Mr MHAJI MOHAMMED.
Niveau : 3ème année.
Encadré et parrainé par : M.DAKIR (ingénieur chef à l’OCP).
Période de stage : du 01/07/2002 au 30/07/2002.
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REMERCIMENTS
Je tiens à remercier tout particulièrement l’OCP, et en particulier Monsieur Y.DAKIR,
l’Ingénieur Responsable de l’usine de séchage pour son soutient, ses conseils et ses encouragements dont il m’a fait part durant mon stage.
Mes sincères remerciements vont aussi à la direction d’exploitations minières de Gantour qui m’a
bien accueilli et à tout le personnel de l’usine de séchage, notamment :messieurs MEKKAOUI , LAHNICHI, LALMICH et SAFOUANE, et à tous ceux qui ont contribué au déroulement de mon stage dans les meilleures conditions.
Je tiens finalement à être reconnaissant à tous les enseignants et à tout le personnel de
l’administration de l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers de Mekhnès, pour les efforts qu’ils ont déployés pour ma formation.
MHAJI MOHAMMED
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SOMMAIRE.
Remerciements
Sommaire
Introduction
I-Présentation de la division traitement.
II-Etude du circuit actuel du fuel.
1-Caractéristiques du fuel
2-Description du circuit
2-1-Schématisation et principe de fonctionnement
2-2-Caractéristiques et conditions nominales de fonctionnement :
3-Circuit générateur de la vapeur
3-1-La chaudière :
3-2-Difficultés d’exploitation :
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III- Problèmes dégagés :
IV- Solutions proposées :
V-Tube à passage de courant :
1)définitions :
1.1-Principe du tube à passage de courant (TPC):
1.2-transfert thermique dans un échangeur électrique :
1.2.1-Calcul de la puissance thermique :
1.2.2)Détermination du coefficient d’échange :
1.3-Equations électriques :
1.3.1)Résistance :
1.3.2) Loi d’Ohm :
1.3.3) Montages électriques :
2-Mise en œuvre :
2-1-Différents éléments d’une installation :
2 -1-1-Scéma de principe :
2 -1-2-Isolation thermique et calorifugeage :
2-2-Dimensionnement thermique et électrique :
2 -2-1-Critères d’optimisation :
2 -2-2-Calculs électriques :
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2-3-Régulation :
Conclusion
Annexes.
Bibliographie
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INTRODUCTION
L’usine de séchage de l’OCP-YOUSSOUFIA est dotée d’un circuit de fuel qui le
traite avant de l’utiliser .
Dans le cadre de son amélioration, il a été demandé de faire une étude critique sur ce
circuit de fuel.
Pour ce faire nous allons procéder de la façon suivante :
-établir une description complète de tous les composants, à savoir :
Le tank de fuel, le Groupe moto-pompe, l’échangeur thermique tubulaire et le circuit
généra teur de vapeur.
-faire une critique de chaque composant, en observant les anomalies de
fonctionnement.
-proposer différentes solutions, les comparer, et choisir celle qui convient le plus au
cas de l’usine de séchage.
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 7
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I- Présentation de la division de traitement
Le sous sol marocain renferme les plus importants gisements des phosphates du monde : trois quarts
des réserves mondiales. Ainsi, pour l’exploitation efficace et rentable du phosphate marocain, le dahir
du 7 août 1920 a créé l’OCP. il exploite les phosphates dans trois grandes zones, à savoir :
-Zone de Khouribga.
-Zone de Boukrâa/Lâayoune.
-Zone de Gantour.
La zone de Gantour comprend les deux centres d’exploitation de Benguerir et de Youssoufia.
En plus de l’exploitation, le centre de Youssoufia a une division de traitement qui s’occupe de deux
opérations de traitement thermique du phosphate :
-La calcination qui consiste à brûler les matières organiques du minerai tout en éliminant
l’humidité.
-Le séchage qui a pour but de diminuer l’humidité du produit à moins de 2%.
Ces deux opérations nécessitent toujours une source de chaleur.
Pour le phosphate, on exploite principalement la combustion du gaz naturel ou du fuel dans des
fours à lit fluidisé pour la calcination, et dans des fours rotatifs pour le séchage.
Pour la calcination, elle s’effectue à l’usine de calcination. Cette dernière traite les phosphates noirs
provenant des mines d’extraction à savoir la recette 8 et la recette 9.
Les liaisons composées de chaînes de convoyeurs à bande assurent le transport des phosphates noirs
des recettes vers le stock mécanisé des unités de calcination.
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Pour le séchage, il nécessite toujours, en plus d’une source de chaleur, un agent thermique. Dans la
plupart des cas, l’agent thermique utilisé est l’air qui permet de transporter la chaleur de la source vers
la matière à sécher.
Les appareils utilisés pour accomplir cette opération dépendent généralement de la matière à sécher.
Pour le phosphate traité au sein de l’usine de séchage de Youssoufia, le séchage est assuré par huit
fours rotatifs de capacité unitaire de 80 t/j, ils traitent le phosphate clair provenant de la recette 6
Le phosphate clair destiné au séchage présente un taux d’humidité relativement élevé, généralement
entre 10 et 12%, il est donc impropre à la vente et la valorisation qui exige un degré d’humidité
inférieur à 2%.
II- Etude du circuit actuel de fuel
1-Caractéristiques du fuel
Le fuel est un combustible liquide à la température ambiante de couleur noire, et de grand pouvoir
calorifique. Sa densité est inférieure à celle de l’eau (l’unité), et elle varie selon deux types :
-le fuel N°2 ou le fuel lourd, et c’est ce qu’on utilise normalement.
-le fuel N°1 ou le fuel léger : il est obtenu en mélangeant le fuel lourd avec le gasoil. De densité et
de viscosité plus petite, il est plus facile à brûler, mais il sert seulement au démarrage, phase où le fuel
lourd n’est pas assez préparé et chauffé, car il est six fois plus chère que le fuel N°2.
Pour sa combustion, le fuel nécessite un bon filtrage par des filtres placés au niveau des conduites,
car il contient des impuretés qui peuvent boucher les conduites. il nécessite aussi une température de
l’ordre de 100°C et une pression de 25 bar pour assurer une bonne pulvérisation dans le foyer et aussi
pour diminuer sa viscosité et faciliter son pompage.
Les diagrammes suivants peuvent être utilisés, pour connaître, avec une bonne précision, la
viscosité et la masse volumique d’un type de fuel :
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la viscosité requise pour obtenir une pulvérisation satisfaisante au niveau du brûleur est :de 60 à 70
mm²/s.
Lors de la combustion au four sécheur rotatif, le fuel présente les caractéristiques suivantes :
Température 100°C
Densité 0,833
Pression brûleur 23 bar
Pastille ? 40mm
Débit 872,5 kg/h
2-Description du circuit
? 2-1-Schématisation et principe de fonctionnement
le circuit fuel est schématisé selon les schémas fig.1 et fig.2 .
le fuel est approvisionné par des camions qui le stockent par pompage après l’avoir réchauffé ,
toujours pour diminuer sa viscosité, dans deux tanks. Le niveau du fuel est mesuré par un flotteur.
Il est pompé ou bien par une pompe de dépotage se trouvant dans la chaudière ou bien par la pompe
des camions.
Pour l’utiliser dans le séchage, le fuel est réchauffé jusqu’à 50°C dans les tanks, après, il est pompé
par un groupe moto-pompes vers le groupe préparateur où sa température atteint 70°C, en suite, sa
température s’élève jusqu’à 110°C avec une pression de 24,5 bar dans le groupe finisseur, et en fin il
est directement injecté au four par le brûleur.
Le chauffage du fuel dans ces trois étapes est assuré par la vapeur d’eau surchauffée à 110°C ( au
moyen de deux chaudières ) qui élève la température du fuel en circulant dans :
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-un serpentin au niveau du bas de chaque tank.
-un échangeur thermique tubulaire au niveau de chaque unité du groupe préparateur et du groupe
finisseur.
Pour surchauffer la vapeur d’eau dans les chaudières, on utilise la combustion du fuel lui même
pompé par une pompe de gavage à partir des tanks, mais ceci après l’avoir chauffer à la température de
50°C voulue en utilisant la combustion du fuel léger dans la chaudière. Ce dernier ne nécessite pas de
chauffage, et il est utilisé au début seulement : phase de démarrage.
Les conduites de fuel sont aussi maintenues à leur température par les conduites de vapeur d’eau,
tout en étant enveloppées par une matière calorifuge : laine de verre.
? 2-2-Caractéristiques et conditions nominales de fonctionnement :
-Tank :
C’est le réservoir dans lequel on stocke le fuel lourd :
Nombre 2
Forme Cylindrique
Diamètre 8m
Hauteur 12,7m
Volume unitaire 630m3
Volume total 1260 m3
- Groupe moto-pompe :
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C’est le groupe qui pompe le fuel depuis les tanks jusqu’aux fours, tout en passant par le groupe
préparateur et le groupe finisseur. Il se trouve au niveau du groupe préparateur et il comporte trois
pompes : chacune est branchée à un échangeur.
Nombre 3
Marque SCAM
Pression 30 bar maxi
Débit 4 t/h
Puissance 9,2 kW = 12,5 ch.
Vitesse de rotation 2910 tr/min
-Chaudière :
c’est au niveau de cet appareil que se produit la vapeur d’eau en chauffant l’eau avec la combustion
du fuel.
Nombre 2
Marque BABCOCK FM 7-14
Débit calorifique 910 Kcal / h
Débit vapeur 1500 kg / h
Pression de marche maxi 8 bar
Combustibles Fuel-oil N° 2, Fuel-oil
léger pour le démarrage
Commentaire :
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 12
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Remarques :
*L’eau de la chaudière subit un adoucissement pour éviter la déposition de calcaire sur les parois
des conduites et diminuer ainsi l’efficacité d’échange thermique avec le fuel.
*Le niveau d’eau dans la chaudière dans le BS (Ballon supérieur) est de ¾, s’il est inférieur à ceci,
une alarme se déclenche : risque de brûler la chaudière.
*On a le même type d’échangeur pour le groupe préparateur et le groupe finisseur.
-Echangeur thermique tubulaire :
Un échangeur thermique tubulaire est un appareil qui permet de transmettre de la chaleur d’un
fluide à un autre circulant dans des tubes sans que ces deux fluides se mélangent. Pour le circuit de fuel
étudié, on a les caractéristiques suivantes :
Nombre 3 (groupe préparateur) +
8 (groupe finisseur)
Marque ASET
Type N13S RENFORCE
Classe de l’appareil 2
Nature des contrôles ASET
Date de construction 14 – 5 – 1964
Pression de service 30 bar
Pression d’épreuve 45 bar
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? 3-Circuit générateur de vapeur :
3-1-La chaudière :
Le circuit de la vapeur est très important pour le circuit fuel. Il assure en même temps l’élévation de
la température du fuel par des échangeurs thermiques dans trois étapes en trois lieux (tank, groupe
préparateur et groupe finisseur) , le main tien de la température dans les conduites de fuel en les
accompagnant par des conduites de vapeur et le rinçage des conduites en exploitant la pression et la
température de la vapeur. Le système qui génère la vapeur est la chaudière.
Les chaudières sont des appareils destinés à produire de la vapeur à une pression et une température
bien déterminées. Ces appareils se composent de trois parties principales :
*foyer ou chambre de combustion.
*générateur de vapeur.
*appareils auxiliaires.
a-Chambre de combustion : C’est la partie principale de la chaudière, et c’est l’endroit où s’effectue
la combustion du fuel. Elle est formée d’une paroi formant les écrans (façade ) tapissée de tubes d’eau
mandrinés ( non soudés ) à leurs extrémités dans les réservoirs (ballons). Ces tubes sont en acier étiré.
b-Générateur de vapeur :
b-1-Faisceau tubulaire : Il comprend deux parties :
-La chambre de combustion tapissée de tubes d’eau, elle constitue la surface de chauffe d’eau
soumise au rayonnement de la flamme.
-Le faisceau vaporisateur : soumis à la convection de fumée.
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b-2-Les ballons : On peut rencontrer des chaudières à simples ballons verticales (Exemple :
chaudière U.T.K ), et des chaudières à deux ballons, un ballon inférieur et un autre supérieur, c’est le
cas pour la chaudière BABCOCK FM7-14 du circuit de fuel de l’usine de séchage.
*Le ballon supérieur : Il est en construction soudée et il se présente sous forme d’un réservoir
cylindrique supporté horizontalement par le faisceau de vaporisation. Ce réservoir est équipé
intérieurement par :
-Un dispositif d’alimentation de la chaudière muni à son extrémité d’une crépine.
-Des tôles chicane qui dirigent l’humulsion eau+vapeur des tubes vaporisateurs vers les dispositifs
séparateurs.
*Le ballon inférieur : il est également en construction soudée, et il comporte deux trous d’homme et
la tuyauterie.
c-Appareils auxiliaires :
Ce sont les appareils de sécurité, de contrôle et les accessoires.
c-1-Appareils de sécurité et de contrôle :
*Soupape de sécurité : chaque chaudière est munie au moins d’une soupape de sécurité chargée de
manière à laisser la vapeur s’échapper dés que la pression dite timbre est atteinte.
*Dispositifs d’alarme : la chaudière est munie d’un appareil d’alarme annonçant par sonnette le
manque ou l’excès d’eau : il faut que le niveau d’eau dans le ballon supérieur assure le remplissage du
¾ de son volume.
*Clapet automatique de retour d’alimentation : il se place le plus prés possible de la jonction de la
conduite avec le ballon.
*Clapet automatique de retour vapeur.
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*Ecran indicateur de niveau : Deux appareils indépendants sont placés en vue du responsable
chargé de la surveillance et de l’entretien de la chaudière. Il indique le niveau d’eau dans le ballon
supérieur et devra être bien éclairé.
*Deux pressostats : ils assurent la prise de pression et l’arrêt de la chaudière en fonction de la
pression de vapeur qui règne dans le ballon supérieur et en fonction de la pression du fuel injecté.
c-2-Les accessoires :
-Un ramoneur : il sert à nettoyer en raclant pour débarrasser de la suite les cheminés des résidus de
la fumée.
-Un régulateur de niveau.
-Une pompe d’alimentation en eau.
-Un détecteur de flamme (cellule photo-électrique ).
-Un brûleur (à retour) .
-Deux ventilateurs.
-La tuyauterie.
3-2-Difficultés d’exploitation :
*Eaux des chaudières :
Les eaux naturelles contiennent des sels minéraux, des gaz, et des impuretés (composés solubles et
insolubles) dont la concentration est fonction de leur provenance.
Les composés cités ci-dessus en solution ou en suspension dans l’eau entraînent la mise hors service
des chaudières, si aucun contrôle ni traitement n’était fait au préalable, et ceci par l’un des incidents
qui suivent :
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*L’entartrage : c’est la formation de sel peu soluble qui précipite au niveau des surfaces chaudes
pour donner des dépôts appelés : tartre.
Le tartre est un très mauvais conducteur thermique, il diminue ainsi le rendement et provoque la
détérioration de la chaudière.
Pour éviter l’entartrage, on procède au traitement des eaux par adoucissement, et on utilise du
phosphate trisodique qui donne naissance à des boues facilement éliminées par les purges des
chaudières.
On aura l’équation chimique suivante :
3 Ca SO4 + 2 Na PO4 ? 3 Na2 SO4 + Ca3(PO4)2 .
*La corrosion : c’est l’altération que subit le métal de la chaudière exposé au contact de l’eau ou de
l’air. On lutte contre la corrosion par élimination des gaz dissous dans l’eau.
*Le primage : la vapeur produite par le générateur de vapeur entraîne mécaniquement des fines
gouttelettes d’eau (vapeur humide) contenant des sels dissous.
Ces gouttelettes s’évaporent au niveau du surchauffeur, et il s’y crée un dépôt de sel à l’état de
poussière. Ce dernier a une faible conductivité thermique d’où diminution du rendement et risque
d’éclatement du métal par fluage.
On remédie au problème en faisant subir aux eaux des chaudières un traitement convenable. Pour
les grandes chaudières, on les équipe de séparateur de vapeur qui évite le passage des gouttelettes
d’eau dans le surchauffeur.
*Phase de démarrage :
Avant d’atteindre le régime permanent de son fonctionnement, la chaudière passe par une phase de
démarrage qui consiste à chauffer progressivement le fuel des tanks par le fuel léger avant
l’utilisation , en plus, il y a plusieurs étapes à suivre pour aboutir à une bonne combustion du fuel au
four. Cette complexité et délicatesse de fonctionnement nécessitent une main d’œuvre qualifiée et des
techniciens spécialisés et bien formés.
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*Incidents de fonctionnement :
Il y a plusieurs imprévus q ui peuvent se passer, notamment :
-une fuite de vapeur d’un serpentin au sein du tank de fuel, ce qui nécessite la purge d’eau qui s’est
enfui.
-régions mal chauffées du circuit fuel, on y remédie en faisant retourner le fuel pour le réchauffer à
nouveau.
-détérioration du serpentin ou d’un échangeur thermique et déposition de tartre, ce qui implique le
remplacement de l’élément défectueux.
III- Problèmes dégagés :
Ils varient d’un composant à un autre du circuit, et ils se présentent comme suit :
Pour le tank :
-Le contrôle du niveau de fuel pompé à partir des camions s’effectue par un tube raccordé au bas du
réservoir, où il y a un flotteur qui indique le niveau du fuel. Il se peut donc que le raccordement soit
bouché par les impuretés, d’où la non précision de cette méthode de mesure.
-La température du fuel qui doit atteindre 50°C lors du fonctionnement est mesurée en un seul
endroit en bas du réservoir, et ceci avec un thermomètre à aiguille fonctionnant avec une double
lamelle en spirale. C’est peu précis et fiable, car les aiguilles peuvent être coincées et la durée de vie
de ces appareils est limitée ( C’est ce qui s’est passé actuellement ). .
-Le serpentin de chauffage du fuel, présente des fuites de vapeur qui se mélange avec le fuel :on
procède alors à la purge de l’eau qui précipite au bas du tank, et on change le serpentin.
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 18
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Pour le groupe moto-pompe :
-Se trouvant au niveau du groupe préparateur, il est en positon de refoulement à une petite distance
pour le four, ce qui lui évitera les pertes de charge avant le four, mais, il est en cas d’aspiration pour les
tanks et à une grande distance ( jusqu’à 20 m ), ce qui implique que la pression appliquée sur le fuel
entre les réservoirs et les pompes est peut s’avérer insuffisante en cas d’encrassement des conduites.
Pour la chaudière et le circuit de vapeur:
- elle présent les problèmes déjà cités pour les eaux utilisées, en plus des fuites de vapeur dans les
points dégradés ce qui fait baisser la pression vapeur dans le circuit vapeur, et par suite, la vapeur perd
l’efficacité de chauffage et de rinçage en cas de besoin.
-la chaudière est très compliquée dans son utilisation, elle nécessite une main d’œuvre qualifiée, une
surveillance permanente, un temps de démarrage relativement grand, et elle est difficilement
réglable :on utilise actuellement la commande manuelle.
-Il y a un problème de pollution par la fumée qui se dégage des cheminées.
Pour les conduites de fuel :
-Aux alentours des tanks ,sur la surface de stationnement des camions d’approvisionnement et au
niveau du groupe préparateur, il y a du fuel par terre : fuite du fuel, ce qui veut dire qu’il y a un
problème d’insuffisance d’étanchéité, surtout au niveau des joints des conduites
-L’encrassage du fuel dans les conduites est très fréquent, surtout après une longue période d’arrêt
et dans les régions mal chauffées, ce qui gène l’écoulement du combustible, et nécessite parfois toute
une journée de rinçage et de nettoyage par la vapeur. Par suite on a un arrêt de production et une perte
de temps et d’énergie considérable.
-Le tube et la matière calorifuge (laine de verre) qui entourent le tube du fuel sont dégradés et ne
couvrent pas toute la longueur du circuit.
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 19
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Pour l’échangeur thermique tubulaire :
-Il présente des fuites de fuel et de vapeur dans des parties dégradées, et ses accessoires de
commande et de contrôle des paramètres d’échange thermique( des thermomètres et des manomètres à
aiguille pour le fuel et la vapeur d’eau ) sont peu précis ; en plus la majorité de ces appareils est
défectueuse.
-L’échange thermique peut être réduit par la déposition du calcaire comme pour le cas de toutes les
conduites du circuit de vapeur, et il est réglé manuellement seulement.
IV- Solutions proposées :
Pour le tank :
*La mesure du niveau peut se faire avec une bonne précision avec un manomètre à partie flexible
ou à ressort placé en bas du réservoir. Dans ce cas, la grandeur mesurée est la pression :
P = ?.g.h
Avec : ? (kg/m3) : masse volumique du fuel ? 990 kg/m3 .
P (Pa) :pression mesurée au bas du tank.
g(m.s-²) :accélération de la pesanteur terrestre.
h(m) : niveau du fuel dans le tank.
Ainsi :
On a dans ce cas l’incertitude pour h est : ? h = ? P / (?.g).
h = P / (?.g).
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Les manomètres à ressort peuvent avoir, selon leur type, une incertitude pour P qui est : ? P = 0.001
bar ce qui donne comme application numérique :
? h = 0.001 ? 105 / (990 ? 9.8 ) ? ? h ? 0.0103 m
On a h est de l’ordre de 1m donc, on a une précision :
? h / h = 0.0103 / 1 ? ? h / h ? 1.03%
Ce qui est acceptable.
Une deuxième méthode consiste à utiliser un flotteur au niveau du tank directement, et non pas au
niveau d’un tube qui lui est raccordé, en plus d’un fil (attaché au flotteur) qui indiquera le niveau
atteint, mais il faut avoir un orifice en haut du tank pour faire sortir ce fil.
*La température est mieux mesurée par un thermocouple (qui est plus fiable que le thermomètre à
aiguille) placé en haut de la région chauffée du réservoir, et relativement loin du serpentin.
*Une résistance électrique chauffante est mieux adaptée que le serpentin : elle est plus fiable (pas de
fuites de vapeur) plus contrôlable, et la région du fuel chauffé peut être étendue selon le besoin par
plus de longueur de la résistance, ce qui est le contraire du serpentin qui a une géométrie bien fixe.
Pour le groupe moto-pompe :
On peut le placer plus prés des tanks, dans la chaudière par exemple sinon , on règle seulement le
problème de l’encrassement pour diminuer la pression d’aspiration nécessaire pour l’écoulement du
fuel.
Pour les conduites de fuel :
*Les fuites du fuel sont très fréquentes, surtout au niveau des tanks et du groupe préparateur, donc il
faut aspirer le fuel des régions où on a des fuites revoir l’étanchéité.
Le joint d’étanchéité est le volume laissé libre entre deux éléments de construction, il est utilisé
pour obtenir l’étanchéité d’un mécanisme.
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 21
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Dans notre cas, on a besoin de l’étanchéité statique : elle se fait pour deux pièces sans mouvement
relatif ( dans le cas contraire, on parle d’étanchéité dynamique ). Le type de joints le plus adapté en
statique est le joint plat de forme circulaire (forme des conduites ).
Les joints plats sont généralement découpés à partir d’un matériau en feuilles. Pour les choisir, il
faut déterminer leur épaisseur et leur matière.
-Détermination de l’épaisseur :
l’épaisseur d’un joint dépend essentiellement de la rugosité des surfaces sur lesquelles il s’applique.
L’épaisseur du joint décroît si la rugosité des surfaces diminue.
D’une manière générale l’épaisseur d’un joint est choisie aussi faible que possible. On réduit
ainsi :les effets exercés par la pression sur la tranche du joint et le prix du joint.
-Choix du matériau :
On choisit habituellement dans les matières des joints celle qui satisfait le mieux aux exigences de
fonctionnement (selon le fluide à étancher, la température, la pression, etc.), et dont le prix est le plus
bas.
La matière la plus adaptée pour les joints d’étanchéité du circuit fuel est l’élastomère : excellente
résistance aux hydrocarbures non aromatiques, la température d’utilisation est de –20°C à +120°C.
*problème de l’encrassement ? utilisation d’efficaces méthodes de nettoyage.
*Pour le problème d’insuffisance de tube et de matière calorifuge), il faut remplacer les parties
dégradées et les fixer, surtout celles imprégnées par la fuite du fuel.
Pour la matière calorifuge :laine de verre, elle est convenable pour les différents températures du
fuel, d’après le tableau suivant :
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 22
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Isolant ABREVIATION
Selon norme CEN
1995
Masse volumique T limite (°C)
Laine de roche MW 18 à 180 <600
Laine de verre MW 7 à 130 <400
Laine de silice MW 8 à 100 <1100
Fibres de silice RCF 40 à 200 <1260
Fibres d’alumine RCF 200 à 250 <100
Fibres de bois WF 10 à 35 <95
Fibres de polyester WF 10 à 35 <100
Laine de mouton WF 10 à 35 <100
Pour l’échangeur thermique tubulaire, la chaudière et le circuit de vapeur:
Une première solution consiste à remplacer et renouveler les composantes défectueuses par d’autres
nouvelles mais , les causes de défaillance déjà citées resteront comme même, ce qui nécessitera un
important coût de maintenance à long terme.
La deuxième solution, qu’on va détailler plus après, est basée sur l’utilisation de l’énergie électrique
pour le chauffage : des résistances électriques chauffantes (traçage électrique) qui seront placés au
niveau des coudes des conduites de fuel, où il y a plus de perte de charge et d’encrassement pour les
maintenir chauds, à la place des conduites de vapeur. Ceci en plus d’un échangeur électrique du type
TPC ( tube à passage de courant)à la place des échangeurs thermiques tubulaires ce qui réduira le
nombre de postes de chauffage (plus de groupe préparateur ) et supprimera complètement la chaudière,
tout le circuit de vapeur et tous leurs problèmes.
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Etude critique du circuit de fuel de l’usine de séchage 23
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V-Tube à passage de courant :
L’électrothermie représente en terme de consommation, la deuxième application de l’électricité
dans l’industrie après les machines tournantes. Depuis 1987, un nouveau concept de résistance s’est
forgé de solides références : le tube à passage de courant ou TPC. Plus qu’une résistance, le TPC est
un échangeur électrique.
Cette technique conjugue les avantages de l’électricité (simplicité, souplesse, précision), avec les
performances de l’échangeur (grande surface d’échange, bon coefficient de transfert).
Dépassant largement son application de simple réchauffeur, le TPC s’adapte aussi bien au
traitement des produits chimiques, des gaz, des fluides alimentaires sensibles, des poudres, qu’à
l’évaporation ou à la réaction chimique.
1)définitions :
1.1-Principe du tube à passage de courant (TPC):
le tube à passage de courant est une technique d’électrothermie nouvelle pour ses applications,
mais ancienne et très simple pour son principe. Elle consiste à mettre sous tension la tuyauterie
contenant le fluide à chauffer.
Le passage d’un courant électrique le long du tube génère de la chaleur par effet Joule. La
transmission de la chaleur du tube vers le fluide s’effectue essentiellement en convection forcée, par
l’intermédiaire d’une surface d’échange : la paroi interne du tube.
Le tube remplie alors trois fonctions :
-guide hydraulique pour le fluide, ce qui est sa fonction première.
-résistance électrique.
-surface d’échange de chaleur.
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Le TPC est en fait un véritable échangeur électrique . Le courant électrique circule dans l’épaisseur
du tube alimenté sous une tension et sert à chauffer le fluide circulant à l’intérieur de ce tube, tant du
point de vue du dimensionnement, que du point de vue de ses performances, le TPC est une
technologie spécifique.
1.2-transfert thermique dans un échangeur électrique :
1.2.1-Calcul de la puissance thermique :
Le transfert thermique dans un échangeur électrique se caractérise par une puissance imposée, liée à
la tension appliquée au tube.
La puissance thermique générée est répartie uniformément sur la surface d’échange : la densité de
puissance, rapport de la puissance sur la surface d’échange, est donc constante et indépendante de la
température du fluide.
La puissance thermique utile représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température
d’un fluide d’une valeur Te à une valeur Ts en un temps donné. Dans le cas d’un chauffage en
continu, la puissance thermique devient la puissance nécessaire pour chauffer un débit de fluide entrant
à une température Te et sortant à une température Ts.
La densité de puissance ou densité de flux est donnée par la relation : ? = Pth/?.Di.L.
Avec : ? (W/m²) : densité de puissance.
Pth(W) : puissance thermique dissipée sur le tube.
Di(m) : diamètre intérieur du tube.
L(m) : longueur totale du tube ou des tubes placés en série.
La puissance globale étant imposée, le degré de liberté du système se traduit par une température de
paroi variable, qui dépend de la densité du flux appliqué. Ainsi, contrairement aux échangeurs
classiques, l’échangeur électrique assure l’échauffement nécessaire pour atteindre la température de
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sortie requise, mais la température de paroi dépend des conditions de fonctionnement et de la
géométrie du réchauffeur.
1.2.2)Détermination du coefficient d’échange :
L’écart entre la température Tp(K) de paroi du tube et la température T(K) du fluide dépend de la
densité de flux suivant la relation :
? = h.(Tp – T ).
Avec : h(W/m².K) : coefficient d’échange par convection.
? et T étant données, la température de paroi sera fonction du coefficient d’échange.
Le coefficient d’échange dépend principalement de la géométrie, du débit et des propriétés
physiques du fluide.
1. 3)Equations électriques :
1.3.1)Résistance :
la résistance d’un conducteur est définie par :
R = ? .L/S.
Avec : R : résistance électrique du conducteur.
S : section de passage du courant dans le conducteur.
? : résistivité électrique du matériau.
Pour u n tube cylindrique, de diamètre extérieur De et d’épaisseur e, on a :
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S = ?.e. (De – e).
Cette relation ne s’applique que pour un conducteur amagnétique.
Dans le cas d’un conducteur magnétique, il faut tenir compte du phénomène d’effet de peau. Il
résulte du champs électrique qui existe autour d’un conducteur parcouru par un courant alternatif.
La valeur de l’épaisseur à prendre en compte pour le calcul de la section de passage du courant dans
le conducteur devient :
e = [ 2? / (??0. ? r.2?f ) ]1/2.
Avec : e (m) : épaisseur de peau.
?0 : perméabilité magnétique du vide ( ? 0 = 4?.10-7 H/m )
? r : perméabilité magnétique du matériau.
f : fréquence du courant.?
La valeur de l’épaisseur de peau est donnée dans le tableau qui suit pour certains matériaux à une
fréquence de 50 Hz.
Matériau Résistivité électrique
(10-8? .m)
Perméabilité magnétique relative
Epaisseur de peau à 50 Hz (mm )
Acier noir standard 20 1800 0.75
Acier inoxydable type
316L
80 1 66.6
Inconel 601 126 1 79.9
1.3.2) Loi d’Ohm :
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le courant qui circule dans un TPC génère de la chaleur par effet Joule. Pour calculer la puissance
dissipée, on applique la loi d’Ohm sous la forme :
P = R.I².
1.3.3) Montages électriques :
Un tube à passage de courant est toujours alimenté par l’intermédiaire d’un transformateur. A
condition de définir ce transformateur comme un transformateur d’isolement ( encombrements
primaires et secondaires séparés, écran de séparation mis à la terre ), on peut envisager de nombreux
montages électriques.
Le choix du montage électrique s’effectue à partir de la géométrie du réchauffeur et dépend de la
conception hydraulique de celui-ci, il peut être :
-monotubulaire : le fluide circule dans une section tubulaire constante constituée par un tube en
serpentin ou en hélice.
-multitubulaire : le fluide circule dans plusieurs sections tubulaires constituées de tubes en parallèle
hydraulique.
Dans un réchauffeur TPC classique, on limite généralement le nombre de tubes en parallèle à six,
car au delà, des problèmes technologiques apparaissent au niveau de la connexion et de l’alimentation
électrique.
Ainsi, les principaux montages utilisés sont les suivants :
-Montage en monophasé.
-Montage en triangle.
-Montage en étoile.
2-Mise en œuvre :
2-1-Différents éléments d’une installation :
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2-1-1-Scéma de principe :
les organes nécessaires au fonctionnement de l’appareil sont :
*Tubes : c’est dans ceux-ci que circule le fluide à chauffer. Leur matériau et leurs caractéristiques
géométriques ( d iamètre, épaisseur, longueur, forme, disposition géométrique) sont des paramètres de
dimensionnement de l’installation.
*Connexions électriques : elles permettent de mettre sous tension le tube. Soumises au passage de
forts courants (quelques milliers d’ampère) , ils doivent dissiper le moins d’énergie possible. Au
contact du tube, elles peuvent fonctionner à de hautes températures.
*Pompe : elle assure la circulation du fluide à chauffer. Elle dimensionnée selon les pertes de
charge du réchauffeur.
*Transformateur BT/TBT (basse tension / très basse tension) : la tension est adaptée à la résistance
électrique pour fournir la puissance nécessaire. Ce transformateur est en outre un transformateur
d’isolement. La tension sur le tube est généralement inférieure à 50 V, ce qui permet d’assurer la
sécurité électrique des personnes.
*Modulateur de puissance : il est placé au primaire du transformateur pour des raisons
économiques. Il contrôle la puissance fournie au tube.
*Régulateur : il porte la puissance à partir de mesures de grandeurs physiques : température du
fluide en sortie, température de la paroi du tube, débit, etc.
2-1-2-Isolation thermique et calorifugeage :
Le TPC permet un chauffage précis et homogène lorsque les conditions suivantes sont satisfaites :
-Les pertes thermiques ne varient pas le long de l’échangeur.
-Le calorifugeage ne crée pas des court -circuits ou des fuites de courant vers la terre des appareils.
2-2-Dimensionnement thermique et électrique :
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2-2-1-Critères d’optimisation : Le cahier des charges d’une installation précise :
-Le produit à chauffer.
-Ses propriétés physiques.
-Le débit.
-Les températures d’entrée et de sortie.
-La puissance.
-La température limite admissible en paroi.
-Les pertes de charge maximales.
Les deux inconnues sont le diamètre et la longueur du tube.
On dispose de deux critères d’optimisation fondamentaux :
-La température de paroi maximale admise.
-Les pertes de charges disponibles.
*On a la relation donnant la longueur du tube est :
Avec : N : nombre de tubes placés en parallèle.
L (m) : longueur totale d’un tube.
H (W/m².K ) : coefficient de transfert thermique.
Pth (W ) :puissance thermique utile.
L = Pth / [N. p.Di.h.(Tpmax – Ts) ].
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2-2-2-Calculs électriques :
La géométrie du tube étant figée, la résistance R du tube est calculée selon la relation R = ?.L / S.
Pour le montage monophasé, la tension appliquée en volts est : U = (P.R )1/2.
Avec : U : tension prise entre phases.
P : puissance électrique active.
Pour un montage triphasé, la tension dépend du montage électrique choisi :
-En montage triangle : U = ( P.R / 3 )1/2.
-En montage étoile : V = ( P.R / 3 )1/2.
Avec : V : tension simple ( en volts ), prise entre une phase et le neutre.
U : tension composée ( en volts ), prise entre deux phases.
2-3-Régulation :
la régulation d’un échangeur TPC bénéficie de la faible inertie ( ? rapidité de régulation ) et de la
souplesse du système ( ? stabilité et précision de la régulation ).
Deux paramètres peuvent être suivis :
-La température de sortie du fluide.
-La température maximale du tube.
Deux paramètres sont accessibles :
-La puissance électrique.
-Le débit.
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Ainsi, selon les applications on sera amené à réguler un ou deux paramètres, avec une ou deux
variables d’action .
2-4-sécurité électrique :
un réchauffeur électrique do it respecter les normes de sécurité relatives aux installations électriques,
en ce qui concerne la sécurité des personnes et la sécurité des installations électrothermiques.
Alimenté en basse tension (de l’ordre de 50V), le tube ne présente pas un danger d’électrisation
pour le personnel. Cependant, il est impératif d’éviter tout court -circuit entre phases. le régime de
secondaire du transformateur peut être différent de celui du site ; il est donc nécessaire de vérifier la
compatibilité du régime du neutre avant l’installation de l’appareil.
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Conclusion
L’étude critique menée sur le circuit du fuel de l’usine de séchage nous a permis de
dégager les conclusions suivantes :
-Le principal problème observé est la présence des fuites de vapeur qui, par suite se
mélange avec le fuel. Ceci a un impact négatif sur la combustion du fuel au niveau du
brûleur ( la flamme peut s’éteindre à tout moment ).
-Pour compenser les pertes excessives de la vapeur, il est nécessaire de générer une
quantité supplémentaire de la vapeur ,en plus on a une grande consommation de l’eau,
ce qui est extrêmement onéreux.
-On a une perte considérable d’énergie, de rendement et d’efficacité de la chaudière.
-Le fuel peut retourner, à travers les fuites, dans le circuit de condensation ce qui
entraîne l’encrassement, après un arrêt de longue durée, du fuel dans les conduites de la
vapeur.
-Pour remédier à ces problèmes, le circuit a été remis en état, cependant, il présente
des difficultés d’exploitation à savoir :
*Une durée de génération de la vapeur élevée ( jusqu’ à 10 h parfois ).
*une importante perte de temps pour basculer du gaz au fuel ( temps de chauffe du
tank à 40 jusqu’à 50 °C ).
*Manque de production de (100 t / h ) tonnes pour un arrêt imprévu.
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Compte de ce qui précède on a proposé les solutions suivantes :
-Remplacement de la chaudière par par des réchauffeurs électriques dans le tank.
-Utilisation d’un traçage électrique le long des conduites de fuel, et surtout au niveau
des coudes.
- Mise en place d’un échangeur électrique TPC dans le groupe préparatoire le
groupe finisseur de chaque four.
Le principale avantage du TPC est son concept d’échange thermique basé sur la
puissance imposée et non sur l’échange avec un fluide primaire ou « utilité ».
Les principaux conséquences de cela sont :
Une répartition homogène et régulière de la puissance de chauffe sur
l’ensemble de la surface d’échange, si la résistance R est constante.
Des performances constantes quelques soient les conditions de
fonctionnement et une fiabilité considérable, ce qui veut dire un gain important au
niveau des réparations des défaillances et de l’entretien.
La température de sortie étant imposée par la puissance, les performances
restent constantes malgré l’encrassement.