Fours tubulaires

Les fours sont largement employés dans les industries de procédé pour assurer un chauffage direct du procédé (sans faire appel à aucun fluide intermédiaire pour transmettre la chaleur), ou pour surchauffer de la vapeur.
Leurs principaux avantages sont:
- transfert de grande quantités de chaleur (rebouilleurs en raffinerie)
- chauffer le procédé à des températures élevées (500 à 1000°C), trop élevées pour l'utilisation de vapeur ou un autre fluide thermique.

Les fours destinés au chauffage des fluides (liquides ou gazeux) sont composés de:
- un faisceau de tubes à l'intérieur desquels circule le fluide à chauffer
- des brûleurs fournissant la chaleur par combustion d'un mélange de combustible (liquide ou gaz) et d'air
- une enveloppe (casing en anglais), sorte de boite dans laquelle est confinée la flamme et les fumées chaudes
- une cheminée pour l'évacuation des fumées vers l'atmosphère
- éventuellement des ventilateurs pour l'alimentation en air et l'extraction des fumées

Le transfert thermique de la flamme ou les fumées chaudes vers le procédé se fait soit:
- par radiation (pour les températures de fumées >700°C)
- par convection (pour les températures de fumées <1000°C)
Ces deux régimes de transfert thermique impliquent différents:
- matériaux
- arrangements de tubes
Cela défini dans les fours différentes zones:
- zone de radiation
- zone de convection

Zone de radiation

C'est une enceinte métallique dont les parois intérieures sont protégées par des matériaux réfractaires isolants.
Elle est de forme:
- cylindrique verticale (diamètre de 1,5m à 15 m et hauteur de 2,5m à 25m
- ou parallèlépipèdique encore appelés fours cabine, ils peuvent atteindre 40 de long pour une hauteur de 15 à 20m.
Il y règne une température intérieure de 700 à 1000°C.
Les tubes véhiculant le fluide procédé sont disposés en une succession de longueurs droites et de coudes à 180 degrés formant un assemblage parfois appelé serpentin ou épingles.
Les tubes peuvent être placés:
- contre les parois internes ou suspendues au centre
- horizontaux ou verticaux
Les brûleurs sont disposés sur les parois verticales ou sur la paroi de horizontale basse (brûleurs de sole).
Les brûleurs sont soit:
- à air induits (c'est la seule dépression du four qui aspire l'air vers l'intérieur)
- à air forcé (un ventilateur pousse l'air vers l'intérieur)

Le transfert thermique est ici obtenu par rayonnement entre:
- la masse gazeuse des fumées contenues dans cette chambre de combustion, ainsi que les parois de cette chambre
- et la masse absorbante des tubes

Le flux thermique vers les tubes dépend de la différence de température entre les fumées les tubes, mais des valeurs de 40 000 kcal/h/m² sont courantes.

Température de voûte

Pour le calcul du transfert thermique, la température des fumées peut être considérée comme uniforme du fait:
- du brassage naturel à l'intérieur de la chambre
- du transfert rapide de chaleur par radiation

La température de la masse gazeuse est appelée dans le jargon professionel température de voûte (bridgewall temperature en anglais) en référence aux partitions en brique présentes dans les fours de construction ancienne.
Elle est légèrement supérieure (100 à 150°C) à la température des fumées mesurée en sortie de la zone de radiation, mais largement inférieure à la température adiabatique de la flamme.

Température des tubes

Les tubes soumis au rayonnement des fumées et des parois chaudes de la chambre atteindraient la température dite de voûte s'ils n'étaient refroidis intérieurement par le fluide procédé circulant.
Ce sont donc les effets simultanés de l'apport de chaleur par la combustion et de l'absorption de chaleur par le procédé qui conduisent à des températures d'équilibre des fumées et de métal des tubes.

Connaître la température maximum du métal est capital pour connaître la résistance mécanique du tube.
La température du métal dépend donc:
- de la température à coeur du fluide procédé
- de sa vitesse
- de ses caractéristiques (pression, composition, température d'ébullition, ...)

De plus, le flux thermique peut être très supérieur sur la face exposée à la flamme que sur la face à l'ombre de la flamme. Il est donc d'usage de considérer que la température maximum observée sur un tube placé contre la paroi peut-être 80% supérieure à sa température moyenne.

Matériau des tubes

Les nuances des aciers utilisés sont choisis en fonction des conditions de service auxquelles ils sont soumis tels que température, pression et corrosion.
Pour résister à la température et à la pression, le métal doit conserver des propriétés mécaniques suffisantes à chaud. Or elles diminuent généralement quand la température augmente.
En particulier, sous l'action de la traction le métal s'allonge irréversiblement et fini par se rompre: c'est le fluage.
On considère généralement comme contrainte admissible celle qui provoque:
- un allongement de 1% en 10 000 heures
- ou une rupture en 100 000 heures
Des tables donnent pour différentes nuances d'acier et différentes températures les charges provoquant allongement et rupture en un temps donné.

Un autre facteur important dans le choix de la nuance d'acier est le risque de corrosion.
La corrosion peut être:
- interne et dépend de la nature du fluide procédé
- externe et est provoquée par le combustible et les fumées de combustion
La corrosion externe est principalement due à:
- une oxydation à haute température sous l'action des fumées et de l'air en excès
- une attaque par les cendres de combustibles liquides contenant des sels de vanadium, des sulfates ou des oxydes métalliques.
Les températures élevées augmentent toujours la sensibilité de l'acier à la corrosion.

La résistance à l'oxydation des tubes est améliorée par la présence de chrome dans la composition de l'acier.
Les cendres de combustibles liquides peuvent former des dépôts de sels fusibles (pentoxyde de vanadium, sulfate de sodium, ...) qui détruisent la couche protectrice d'oxyde de chrome.
Des alliages à très forte teneur en Chrome et Nickel sont adaptés pour résister à cette corrosion, mais leur résistance au fluage est médiocre. L'épaisseur des tubes doit donc être augmentée.

Supportage des tubes de radiation

Les températures élevées pouvant être atteintes par les tubes de four en fonctionnement induisent une très grande variation de dimension entre les situations froid en attente et chaud en service.
Cette dilatation/contraction doit pouvoir être absorbée par le supportage.

Zone de convection

Les fumées provenant de la zone de radiation sont conduites vers une zone dite de convection pour en récupérer la chaleur sensible.
A ce niveau de température, le transfert thermique par radiation devient négligeable.
Le flux thermique est de l'ordre de 10 000 kcal/h/m² pour une différence de température de 100°C entre fumées chaudes et fluide froid.

Les tubes sont ici groupés en blocs compacts pour augmenter la vitesse des fumées et favoriser le transfert thermique par convection.

Les premières rangées de tubes, exposées aux fumées les plus chaudes peuvent être des tubes lisses.
Les rangées de tubes exposées aux fumées les plus froides seront munis de picots ou d'ailettes pour augmenter leur surface et accroître le flux thermique transféré au procédé.

La zone de convection peut être utilisée au choix pour:
- préchauffer le fluide procédé avant d'être surchauffé en zone de radiation
- préchauffer l'air alimentant les brûleurs
- produire de la vapeur qui pourra être utilisée ailleurs dans le procédé
- préchauffer de l'eau alimentant des producteurs de vapeur
- chauffer un autre fluide procédé à un niveau de température modéré

Cheminée

Si le combustible utilisé génère des polluants indésirables (oxydes de soufre, oxydes d'azote, imbrûlés, ...) une cheminée de grande hauteur peut être nécessaire.
Celle-ci est souvent installée sur la charpente même du four, qui doit pouvoir supporter les contraintes qu'elle induit.
En particulier, sous l'effet du vent, un phénomène de résonance peut apparaître lorsque la fréquence propre de la cheminée et de sa structure devient égale à la fréquence de détachement des tourbillons à l'arrière de la cheminée soumise au vent.
Un dispositif anti-vibration est souvent installé sous la forme d'une ailette hélicoïdale sur le tiers supérieur de la hauteur de la cheminée.

Paramètres clés de conduite

Les paramètres à surveiller dans la conduite d'un four sont:
- la température de peau de tube pour éviter la fragilisation du faisceau
- la température de fumée en voûte pour préserver le faisceau en convection
- le température de support des tubes
- la pression du fluide pour ne pas dépasser la limite de résistance mécanique des tubes
- la dépression dans la chambre pour éviter la fuite de fumées chaudes par les ouvertures de la chambre
- la teneur en oxygène dans les fumées pour optimiser le rendement énergétique du four
- les teneurs en Soufre (S), Sodium (Na) et Vanadium (V) du combustible risquant de générer des corrosions sur les tubes.

Rendement énergétique

Le rendement énergétique d'un four comme d'une chaudière ou tout autre équipement thermique, est le rapport de l'énergie transférée sur l'énergie potentiellement transférable.
L'énergie transférable depuis un combustible est nommé le pouvoir calorifique. On distingue pour les combustibles:
- le pouvoir calorifique inférieur (PCI) considérant que la vapeur d'eau contenue ne peut être condensée
- le pouvoir calorifique supérieur (PCS) considérant que la vapeur d'eau contenue dans les fumées peut être condensée.

La perte de rendement est en fait la perte de chaleur avec les fumées.

La chaleur réellement transférée au procédé est:

kgFUEL x PCI + kgAIR x CpAIR x TAIR - kgFumée x CpFumée x TFumée

La température d'air à prendre en compte est fonction de la présence et du type de préchauffage de l'air comme l'illustre les schémas ci-dessous:

Sans préchauffage d'air
- La température de l'air à considérer est la température de l'air aspiré de l'extérieur.
- La température des fumées est celle des fumées rejetées à l'extérieur

Avec préchauffage par les fumées
Le préchauffage par les fumées peut être réalisé:
- au travers d'un échangeur air / fumée
- ou bien en utilisant une fluide de transfert thermique en boucle.
Celui-ci:
- s'échauffe en refroidissant les fumées à une extrémité
- et se refroidi en réchauffant l'air à l'autre.

Dans les deux cas:
- La température de l'air à considérer est la température de l'air aspiré de l'extérieur.
- La température des fumées est celle des fumées rejetées à l'extérieur

Avec préchauffage par une source extérieure
Le préchauffage de l'air est effectué au moyen d'un échangeur pouvant être alimenté:
- par de la vapeur
- par tout fluide thermique
- par tout fluide procédé chaud

Pour calculer le rendement énergétique du four:
- La température de l'air à considérer est la température de l'air préchauffé alimentant les brûleurs.
- La température des fumées est celle des fumées rejetées à l'extérieur