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Industriel moderne Tube Radiant les systèmes fonctionnant dans des fours de traitement thermique atteignent des efficacités thermiques de 40 à 75% en fonction de la configuration des tubes, de la technologie du brûleur, de la conception du four et de l'intégration ou non d'un système de récupération de chaleur. Avec les systèmes de brûleurs à récupération ou à régénération, l'extrémité supérieure de cette plage s'étend à 75 à 85% — faisant des fours à tubes radiants de récupération l'une des configurations les plus efficaces thermiquement disponibles pour le chauffage indirect au gaz dans les applications à atmosphère contrôlée. (Source : Association des équipements de chauffage industriel, Lignes directrices sur l'efficacité de la combustion ; Manuel de combustion nord-américain, 3e édition, 1986.)
L'efficacité d'un tube radiant n'est pas un nombre fixe : il s'agit d'une caractéristique de performance dynamique déterminée par l'interaction de l'efficacité de la combustion, de l'émissivité de la paroi du tube, de la récupération de chaleur des gaz de combustion, de la géométrie du four et de la température de fonctionnement. Comprendre chacune de ces variables et la manière dont elles interagissent est essentiel pour spécifier, exploiter et maintenir les systèmes de chauffage à tubes radiants à leur potentiel de production maximal. Les sections ci-dessous examinent en détail chaque dimension importante de l’efficacité des tubes radiants, avec des données spécifiques et des exemples opérationnels pour étayer chaque point.
Un tube radiant est un élément chauffant indirect à gaz - généralement un tube scellé en acier allié ou en céramique à travers lequel passe la flamme d'un brûleur - utilisé dans les fours à atmosphère contrôlée pour chauffer des pièces sans les exposer aux produits de combustion. Le tube absorbe la chaleur de combustion de la flamme interne et la rayonne vers l'extérieur vers la chambre du four et la charge, maintenant l'atmosphère contrôlée (azote, hydrogène, gaz endothermique ou autres atmosphères protectrices) requise par le processus de traitement thermique.
La question de l’efficacité est au cœur de la sélection et du fonctionnement des tubes radiants pour deux raisons interdépendantes. Tout d’abord, le coût du carburant : la combustion du gaz naturel représente le coût d'exploitation le plus important dans la plupart des installations de traitement thermique , et l'efficacité thermique détermine directement la consommation de gaz par unité de chaleur fournie à la charge. Une installation exploitant 10 fours à tubes radiants avec une efficacité thermique de 50 % au lieu de 70 % consomme 40 % de gaz en plus pour le même rendement de production – un différentiel de coût qui s’aggrave considérablement à l’échelle industrielle sur une année d’exploitation. Deuxièmement, la durée de vie du tube : l’efficacité opérationnelle influence la répartition de la température et les températures maximales à l’intérieur du tube, ce qui détermine directement le taux de dégradation du matériau du tube et la fréquence de remplacement.
(Source : Département américain de l'énergie, Energy Tips — Process Heating : Améliorez votre système de combustion ; Manuel de technologie de combustion de l'IHEA.)
L'efficacité thermique des tubes radiants est définie comme le rapport entre la chaleur délivrée à l'atmosphère et à la charge du four et la chaleur totale dégagée par la combustion du combustible entrant. Il s'exprime ainsi :
Efficacité thermique (%) = (Apport thermique - Perte thermique des gaz de combustion - Autres pertes) / Apport thermique x 100
Le mécanisme de perte dominant dans tout système de tubes radiants alimentés au gaz est la chaleur évacuée par les gaz d'échappement (carneau) quittant le tube. Dans un simple tube radiant direct sans récupération de chaleur, les températures des fumées à la sortie du tube atteignent généralement 800 à 1 100 degrés C à des températures de fonctionnement du four de 900 à 1 150 degrés Celsius, ce qui représente une fraction substantielle de la chaleur de combustion initiale évacuée inutilisée dans la cheminée. Il s’agit du principal défi d’efficacité que les concepteurs de systèmes de tubes radiants relèvent grâce à la récupération, à la régénération et à l’optimisation de la géométrie des tubes.
La configuration géométrique du tube radiant — droit, tube en U, tube en P, tube en W ou récupérateur à une extrémité (SER) — est la principale variable structurelle qui détermine l'efficacité thermique de base avant toute récupération de chaleur. Chaque configuration distribue la flamme et les produits de combustion différemment sur toute la longueur du tube, affectant l'uniformité du transfert de chaleur et la température de sortie des gaz de combustion.
| Configuration des tubes | Plage d'efficacité typique | Avec récupération | Demande principale |
| Direct (tube en I) | 35 à 45% | 55 à 65% | Géométries de four simples ; configurations discrètes |
| Tube en U (double passage) | 45 à 55% | 60 à 70% | Fours à bande continue ; fours à sole roulante |
| Tube en P (triple passage) | 50 à 58% | 63 à 72% | Processus à haute température nécessitant une longueur de transfert de chaleur prolongée |
| Tube en W (quad-passe) | 52 à 62% | 65 à 75% | Fours discontinus ; fours poussants à foyers larges |
| Récupérateur asymétrique (SER) | 55 à 65% | 70 à 85% (récupération intégrale) | Installations à haut rendement ; construction de nouveaux fours où une efficacité maximale est spécifiée |
L'avantage d'efficacité des configurations de tubes U, P et W par rapport aux tubes directs vient du temps de séjour accru des gaz de combustion chauds dans le tube avant leur échappement. Dans un tube direct, les produits de combustion chauds parcourent une fois la longueur du tube avant de sortir. Dans un tube en U, les mêmes gaz sont redirigés vers une branche de retour parallèle, doublant ainsi le temps disponible pour le transfert de chaleur vers la paroi du tube. Chaque passage supplémentaire extrait plus de chaleur des mêmes gaz de combustion avant qu'ils n'atteignent la cheminée.
La conséquence thermodynamique est une température de sortie des gaz de combustion sensiblement plus basse par unité de longueur de tube. Une configuration de tube en W avec la même entrée de brûleur et la même température de four qu'un tube direct atteint généralement les températures de sortie des gaz de combustion. 150 à 250 degrés C plus bas que la configuration droite - traduisant directement cette différence de température en chaleur récupérée fournie au four plutôt qu'évacuée vers la cheminée. (Source : Flanagan, P.J., "Tube Radiants — A Review", Journal of the Iron and Steel Institute, 1970 ; Steel Technology International Annual Review.)
Le tube radiant à récupération asymétrique (SER) représente le standard d'efficacité le plus élevé que l'on puisse atteindre dans la technologie de tube radiant conventionnelle. Dans une configuration SER, le brûleur et la sortie de fumée sont tous deux situés à la même extrémité du tube — le brûleur tire dans un tube intérieur central, les produits de combustion s'inversent à l'extrémité borgne et reviennent à travers l'espace extérieur annulaire entourant le tube intérieur, au cours duquel ils préchauffent l'air de combustion entrant à travers la paroi du tube intérieur avant de sortir à l'extrémité du brûleur. Cette récupération intégrale récupère une fraction importante de la chaleur des gaz de combustion et la renvoie à l'air de combustion, réduisant ainsi le combustible nécessaire pour maintenir une température de flamme donnée.
Les tubes SER équipés de récupérateurs métalliques haute performance préchauffent l'air de combustion pour 400 à 650 degrés C avant de le mélanger au combustible au niveau du brûleur — un préchauffage de l'air de combustion qui améliore l'efficacité thermique nette en 15 à 25 points de pourcentage par rapport à la même géométrie de tube fonctionnant avec de l'air de combustion à température ambiante. (Source : WS Warmeprozesstechnik GmbH, "Systèmes de brûleurs auto-récupérateurs pour tubes radiants", Traitement thermique des métaux, 2003 ; Livre de données techniques de la Gas Processors Association.)
L'efficacité thermique de l'ensemble du système de tubes radiants commence par l'efficacité de la combustion, c'est-à-dire l'intégralité avec laquelle l'énergie chimique contenue dans le gaz combustible est libérée sous forme de chaleur par la flamme du brûleur à l'intérieur du tube. Une mauvaise efficacité de combustion en amont du tube réduit la chaleur disponible pour le transfert vers la paroi du tube, quelle que soit l'optimisation de la géométrie du tube.
L’efficacité de combustion d’un brûleur à gaz dépend essentiellement du rapport air/carburant au point de combustion. La combustion stœchiométrique – le rapport théoriquement parfait auquel tout le carbone et l'hydrogène du carburant sont oxydés avec exactement l'oxygène disponible – libère le maximum de chaleur par unité de carburant. En pratique, les brûleurs fonctionnent avec un léger excès d'air (généralement 5 à 15% d'air en excès pour les brûleurs à prémélange dans les applications à tubes radiants) pour assurer une combustion complète et éviter la formation de monoxyde de carbone.
La pénalité d'efficacité pour l'excès d'air est simple : chaque mètre cube d'air en excès non requis pour la combustion est toujours chauffé par la flamme et doit sortir du tube sous forme d'échappement chaud, emportant avec lui une chaleur qui n'a rien contribué à la chimie de la combustion. Avec un excès d'air de 10 %, la pénalité en matière d'efficacité de combustion est modeste : environ 1 à 2 points de pourcentage à des températures de four inférieures à 1 000 degrés C. À un excès d'air de 30 % — un résultat courant de systèmes de commande de brûleur mal réglés ou détériorés — la pénalité s'élève à 4 à 8 points de pourcentage , une perte d’efficacité importante et entièrement évitable. (Source : Département américain de l'énergie, calculs d'efficacité de combustion, fiche d'information sur l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables.)
L'outil pratique pour maintenir l'efficacité de la combustion dans les systèmes à tubes radiants est la surveillance continue de la teneur en oxygène des gaz de combustion à la sortie du tube à l'aide d'un analyseur d'oxygène à l'oxyde de zirconium calibré. La teneur cible en oxygène dans les gaz de combustion d'un brûleur à tube radiant bien réglé est 1,5 à 3,5% O2 en volume — indiquant une combustion légèrement pauvre (excès d'air) sans gaspillage important d'oxygène. Les systèmes dotés d'un contrôle automatisé de l'équilibrage de l'oxygène — où le rapport carburant/air est ajusté en continu pour maintenir l'oxygène cible des gaz de combustion — atteignent systématiquement une efficacité de combustion plus élevée que les systèmes réglés manuellement et récupèrent la valeur d'efficacité supplémentaire d'un contrôle précis air-carburant.
La conception du brûleur utilisée dans un tube radiant affecte profondément à la fois l’efficacité de la combustion et la distribution de la chaleur sur toute la longueur du tube. Les brûleurs à grande vitesse qui dirigent la flamme axialement vers le bas du tube obtiennent des turbulences élevées et un mélange rapide, favorisant une combustion complète sur une courte longueur de flamme. Les brûleurs à faible teneur en NOx utilisant une combustion étagée (zone primaire riche en combustible suivie d'une injection d'air secondaire) allongent la flamme et répartissent la chaleur plus uniformément le long du tube, réduisant ainsi les températures maximales des points chauds qui accélèrent la dégradation du matériau du tube - améliorant à la fois l'uniformité thermique et la durée de vie du tube, bien que parfois à un faible coût d'efficacité de combustion de l'ordre de 1 à 2 points de pourcentage. (Source : Baukal, C.E., « Manuel des brûleurs industriels », CRC Press, 2003.)
La récupération de chaleur des gaz d’échappement des tubes radiants est l’intervention la plus efficace pour améliorer l’efficacité globale du système. Deux principales technologies de récupération de chaleur sont appliquées aux systèmes à tubes radiants : les systèmes de récupération (qui transfèrent continuellement la chaleur des gaz de combustion à l'air de combustion entrant via un échangeur de chaleur métallique) et les systèmes régénératifs (qui utilisent des magasins alternés à lit de galets chauds ou à matrice céramique pour absorber et libérer la chaleur d'échappement selon des cycles chronométrés).
Un brûleur à tube radiant à récupération intègre un échangeur de chaleur métallique - généralement construit en acier allié à haute température ou en carbure de silicium - à travers lequel les gaz d'échappement chauds passent pour se diriger vers la cheminée et l'air de combustion entrant passe dans la direction opposée (à contre-courant). Cet échange thermique à contre-courant préchauffe l'air de combustion avant qu'il n'entre dans le brûleur, réduisant ainsi l'énergie combustible nécessaire pour atteindre la température de flamme nécessaire au processus.
Le gain d’efficacité de la récupération est directement lié à la température de préchauffage de l’air de combustion atteinte :
(Source : Thekdi, A. et Nimbalkar, S.U., « Récupération de chaleur des déchets industriels — Applications potentielles », Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du Département américain de l'énergie, 2014.)
La limite supérieure pratique de la température de préchauffage du récupérateur métallique est limitée par les propriétés mécaniques à haute température du matériau du récupérateur : les récupérateurs en acier inoxydable austénitique standard sont limités à une température d'entrée des gaz de combustion d'environ 700 °C ; Les récupérateurs en céramique de carbure de silicium peuvent gérer des températures d'entrée allant jusqu'à 1 300 degrés C pour les applications de fours à haute température.
Les brûleurs à tube radiant régénératifs utilisent des paires de brûleurs allumant alternativement : tandis qu'un brûleur s'allume à travers son tube radiant, les gaz de combustion de l'extrémité opposée sont aspirés à travers un lit de galets en céramique ou une matrice en nid d'abeilles qui absorbe la chaleur d'échappement. Lorsque le cycle de combustion s'inverse, l'air de combustion frais destiné au brûleur qui vient d'être allumé traverse le lit en céramique chaud, absorbant la chaleur d'échappement stockée et entrant dans la zone de combustion à très haute température.
Les systèmes régénératifs atteignent des températures de préchauffage de l'air de combustion plus élevées que les systèmes de récupération - généralement Préchauffage de 800 à 1 000 degrés C à des températures de four de 1 000 à 1 200 degrés C — permettant des économies de carburant de 40 à 55% par rapport à la combustion à air froid dans des conditions de procédé équivalentes. Cela fait des systèmes à tubes radiants régénératifs la configuration la plus efficace disponible pour les opérations de traitement thermique continu à haute température. Le compromis est un coût d'investissement accru, des systèmes de contrôle plus complexes et des exigences de maintenance plus élevées pour les ensembles de vannes de commutation et les supports à lit en céramique qui sont propres aux systèmes de brûleurs régénératifs. (Source : Patel, N. et al., « Technologie de brûleur régénératif pour les fours de traitement thermique », Thermal Processing Magazine, 2015.)
Le matériau à partir duquel un tube radiant est construit affecte l'efficacité par deux mécanismes : l'émissivité de la surface du tube (qui détermine l'efficacité avec laquelle il rayonne la chaleur vers la charge du four) et la conductivité thermique et la température de fonctionnement maximale du tube (qui déterminent la quantité de chaleur qui peut être transférée à travers la paroi du tube avant que la dégradation du matériau ne limite l'intensité de fonctionnement).
Un tube radiant transfère la chaleur à son environnement principalement par rayonnement thermique – émission d’énergie électromagnétique de la surface du tube chaud vers les parois et les pièces plus froides du four. L'efficacité de ce transfert de rayonnement est régie par l'émissivité de la surface du tube (epsilon), une valeur sans dimension comprise entre 0 et 1, où 1 représente un corps noir parfait.
Le flux de chaleur rayonné par la surface du tube est décrit par la loi de Stefan-Boltzmann :
Q = epsilon x sigma x A x (T_tube à la puissance 4 - T_four à la puissance 4)
Où sigma est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10 à la puissance -8 W/m2K4), A est la surface du tube, T_tube est la température absolue de la surface du tube et T_furnace est la température absolue du four. La dépendance à la température de quatrième puissance signifie que même de petites augmentations de la température de surface du tube produisent de fortes augmentations du flux thermique rayonné - et que l'émissivité, qui multiplie le terme de rayonnement entier, a un effet direct et linéaire sur la puissance rayonnée. (Source : Incropera, F.P. et al., "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 7e édition, Wiley, 2011.)
| Matériau du tube | Émissivité (epsilon) à la température de fonctionnement | Température de fonctionnement maximale | Propriétés clés |
| HK40 (25Cr-20Ni) | 0,80 à 0,88 | 1 050 degrés Celsius | Bonne résistance à l’oxydation ; largement utilisé; coût modéré |
| HP (25Cr-35Ni-Nb) | 0,82 à 0,90 | 1 100 degrés Celsius | Haute résistance au fluage ; excellent pour un service continu à haute température |
| Alliage 35Cr-45Ni | 0,83 à 0,91 | 1 150 degrés Celsius | Résistance supérieure à l’oxydation et à la carburation ; durée de vie prolongée |
| Carbure de silicium (SiC) | 0,85 à 0,93 | 1 400 degrés Celsius | Capacité de température la plus élevée ; excellente émissivité ; fragile – nécessite une manipulation prudente |
| Céramique Mullite / Alumine | 0,82 à 0,90 | 1 350 degrés Celsius | Excellente résistance chimique ; adapté aux fours à atmosphère réactive |
L'émissivité n'est pas une propriété fixe du matériau d'un tube : elle change avec l'état de la surface au fil du temps. Un tube radiant en alliage fraîchement fabriqué développe une couche de tartre d'oxyde de chrome sur sa surface lors du fonctionnement initial à haute température (un processus appelé conditionnement ou assaisonnement) qui en fait augmente l'émissivité par rapport à la surface polie telle que fabriquée. Cette couche de calamine – généralement de 10 à 50 micromètres d’épaisseur – a des valeurs d’émissivité comprises entre 0,85 et 0,92, supérieures à la surface sous-jacente de l’alliage métallique de 0,70 à 0,80. Les tubes radiants en alliage correctement conditionnés rayonnent donc plus efficacement que les tubes neufs non conditionnés – une découverte contre-intuitive qui souligne l’importance de procédures de mise en service correctes.
Cependant, à mesure que les tubes vieillissent, la croissance du tartre continue au-delà de la couche protectrice optimale et commence à s'écailler, tandis que la carburation interne et l'oxydation dégradent la paroi du tube. Les tubes fortement calaminés et carburés intérieurement peuvent développer une conductivité thermique de paroi efficace réduite qui altère le transfert de chaleur du côté combustion vers la surface extérieure rayonnante, compensant partiellement l'avantage d'émissivité de la couche de tartre développée.
L'uniformité de la répartition de la température sur toute la longueur du tube radiant est à la fois un paramètre d'efficacité et un paramètre de qualité. Une répartition non uniforme de la température gaspille la surface disponible du tube pour le transfert de chaleur et crée des concentrations de contraintes thermiques qui accélèrent la dégradation du matériau du tube.
Dans un tube radiant direct (à passage unique), la flamme du brûleur est la plus chaude immédiatement en aval de la pointe du brûleur, produisant une zone chaude localisée dans les 20 à 30 premiers % de la longueur du tube où la température dépasse considérablement le reste du tube. Cette zone chaude peut atteindre des températures 100 à 200 degrés C au-dessus de la température moyenne de la surface du tube , créant une région de contrainte thermique intense et d'oxydation et de fluage accélérés qui constitue le point d'initiation le plus courant de défaillance du tube radiant dans les configurations à passage unique.
La zone chaude représente également une forme de perte d'efficacité : la température extrêmement élevée de cette zone entraîne localement une intensité de rayonnement très élevée, mais la majeure partie de la longueur du tube située sous la zone chaude est nettement plus froide que nécessaire pour un transfert de chaleur efficace. Le transfert de chaleur total à partir du tube est donc moins uniformément réparti que ce que le même apport de chaleur produirait dans une configuration de combustion étagée à passages multiples ou à faible NOx.
La technologie des brûleurs à faible teneur en NOx, développée à l'origine pour réduire les émissions d'oxyde d'azote provenant de la combustion de gaz, a pour effet secondaire bénéfique de produire une répartition plus uniforme de la température sur toute la longueur du tube. En échelonnant la combustion – brûlant le carburant dans deux ou trois zones séquentielles le long du tube plutôt que dans une flamme primaire concentrée – la température maximale est réduite et le dégagement de chaleur est réparti sur une longueur de tube plus longue. Dans les applications de tubes radiants, cela produit :
(Source : Baukal, C.E. et Waibel, R.T., "NOx Handbook for the Metals Industry", rapport technique du Gas Research Institute ; American Gas Association Laboratories.)
L'efficacité fournie par un système de tubes radiants dépend non seulement de la conception des tubes et des brûleurs, mais également de la manière dont le réseau de tubes est intégré dans la structure du four. Plusieurs facteurs de conception du four influencent considérablement l’efficacité thermique du système.
Le facteur de vue entre le réseau de tubes radiants et la charge du four (le paramètre géométrique qui décrit la fraction du rayonnement quittant la surface du tube atteint directement la charge) détermine l'efficacité avec laquelle l'énergie rayonnée du tube chauffe la pièce. Les tubes trop espacés laissent de grandes zones de la paroi latérale du four directement exposées à la charge, ce qui amène la charge à échanger un rayonnement avec la paroi plus froide du four plutôt qu'avec la surface du tube chaud. Les tubes trop rapprochés bloquent la vue de la charge (échange de rayonnement tube à tube) et de la surface du tube de déchets lors du chauffage des tubes adjacents plutôt que de la pièce à usiner.
L'espacement optimal des tubes dans un four à tubes radiants est généralement déterminé par le diamètre extérieur (OD) du tube et la hauteur du four. Une règle de conception courante consiste à espacer les tubes à une distance centre à centre de 2 à 3 fois la DO du tube lorsque les tubes sont montés sur les parois latérales du four, avec la charge positionnée à une distance approximativement égale à 1 à 1,5 fois l'espacement des tubes de la face du tube. Cette géométrie maximise le facteur de vue combiné du réseau de tubes par rapport à la charge tout en maintenant un accès adéquat à l'air de combustion et à l'alimentation en carburant. (Source : Trinks, W. et Mawhinney, MH, « Industrial Furnaces », Volume 1, 6e édition, Wiley, 2003.)
La qualité de l’isolation des murs du four affecte directement l’efficacité du système à travers deux mécanismes. Une mauvaise isolation entraîne une perte de chaleur importante à travers les parois et le toit du four – chaleur générée par les tubes radiants mais sortant à travers la structure plutôt que de chauffer la charge. Cette perte de paroi est une déduction directe de l'efficacité de la chaleur délivrée par les tubes. L'isolation en fibre céramique dans la construction de fours modernes atteint des valeurs de flux thermique mural de 500 à 1 500 W/m2 à la température de fonctionnement, par rapport à 3 000 à 6 000 W/m2 pour les anciens murs de fournaises isolés en brique, une réduction des pertes de chaleur des murs de 60 à 75 % qui se traduit directement par une amélioration globale de l’efficacité du système.
La masse thermique du four — l'énergie thermique stockée dans les parois et la structure du four qui doit être fournie avant que le four n'atteigne sa température de fonctionnement à froid — affecte l'efficacité principalement dans les opérations de four discontinu avec des cycles de chauffage fréquents. Les fours à briques à masse thermique élevée nécessitent beaucoup plus d'énergie combustible par cycle pour amener le four à température que les fours à faible masse thermique isolés par des fibres céramiques. Pour les opérations par lots avec plus d'un réchauffement par équipe, l'énergie combustible consommée pour chauffer la structure du four peut représenter 10 à 20% de la consommation totale de carburant – une composante de l’efficacité qui est souvent négligée dans les comparaisons de systèmes qui se concentrent uniquement sur l’efficacité de fonctionnement en régime permanent.
L'efficacité de la récupération de chaleur des gaz de combustion est également affectée par la conception des conduits entre les sorties des tubes radiants et le récupérateur ou la cheminée. De longs conduits de fumées non isolés permettent aux gaz d'échappement chauds de refroidir avant d'atteindre le récupérateur, réduisant ainsi la force motrice de température disponible pour le préchauffage de l'air et gaspillant de la chaleur dans l'environnement. Des systèmes bien conçus isolent les conduits de fumées avec de la fibre céramique ou de la laine minérale, minimisant ainsi les pertes de chaleur dans les conduits et préservant la température des fumées pour une efficacité de récupération maximale.
L’efficacité des tubes radiants n’est pas statique : elle change continuellement tout au long de la durée de vie du système de tubes et de brûleurs. Une surveillance systématique et une maintenance préventive sont essentielles pour éviter que l'efficacité ne baisse par rapport à sa valeur de conception à mesure que l'équipement vieillit et que les conditions du processus changent.
Les paramètres mesurables suivants fournissent une évaluation périodique et en temps réel de l’efficacité du système de tubes radiants :
Les actions de maintenance programmées suivantes maintiennent l'efficacité du système de tubes radiants à des valeurs de conception égales ou proches tout au long de la durée de vie du tube :
Comprendre l'efficacité des tubes radiants nécessite un contexte : comment se compare-t-il aux technologies de chauffage alternatives qui lui font concurrence dans les applications de traitement thermique industriel ?
| Technologie de chauffage | Efficacité thermique typique | Compatibilité atmosphérique | Plafond de température |
| Tube Radiant (no recovery) | 35 à 62% | Compatibilité totale avec atmosphère contrôlée | Jusqu'à 1 150 degrés C (alliage) ; 1 400 degrés C (SiC) |
| Tube Radiant (with recuperation) | 60 à 85% | Compatibilité totale avec atmosphère contrôlée | Jusqu'à 1 150 degrés C (alliage) ; 1 400 degrés C (SiC) |
| Gaz à feu direct (flamme nue) | 40 à 70% (avec récupération) | Non compatible — charge de contact des produits de combustion | Au-dessus de 1 400 degrés C possible |
| Chauffage par résistance électrique | 85 à 95% (apport électrique pour chauffer) | Compatibilité totale avec atmosphère contrôlée | Jusqu'à 1 800 degrés C avec des éléments appropriés |
| Chauffage électrique par induction | 55 à 75 % (y compris pertes électroniques de puissance) | Compatible avec le vide et les atmosphères protectrices | Au-dessus de 1 200 °C avec une conception de bobine appropriée |
Le chauffage par résistance électrique atteint une efficacité au point d'utilisation plus élevée que les tubes radiants au gaz lorsqu'il est mesuré sur la base de l'entrée électrique. Cependant, lorsque l'on considère l'efficacité énergétique primaire, en tenant compte des pertes d'efficacité dans la production et le transport d'énergie électrique (généralement Efficacité de génération de 35 à 40 % pour les centrales électriques à combustibles fossiles en moyenne sur le réseau) — l'efficacité énergétique primaire du chauffage par résistance électrique au niveau de la production n'est que de 30 à 35 %, contre 60 à 85 % pour les tubes radiants au gaz de récupération au point de combustion du combustible. Sur les marchés où la pénétration de l’électricité renouvelable est élevée, cette comparaison en matière d’énergie primaire évolue favorablement pour le chauffage électrique – une considération de plus en plus importante à mesure que les réseaux se décarbonent. (Source : AIE World Energy Outlook ; données de l'EPA sur l'efficacité de la production d'électricité.)
Pour les applications de traitement thermique sous atmosphère contrôlée — cémentation, carbonitruration, durcissement neutre, recuit et revenu — le le tube radiant reste la combinaison préférée de compatibilité atmosphérique et d'efficacité du chauffage au gaz , avec des configurations récupérées offrant une efficacité énergétique primaire qui se rapproche du chauffage par résistance électrique lorsque la comptabilité de l'énergie à la source est appliquée.
Pour les installations exploitant des fours à tubes radiants existants qui n'ont pas été optimisés pour une efficacité maximale, les mesures suivantes offrent les améliorations les plus significatives et les plus rentables, classées par période de récupération typique.
Coût de mise en œuvre : faible. Délai de retour sur investissement : immédiat. Une seule séance de mesure d'analyse de combustion et de réglage du brûleur, à l'aide d'un analyseur de gaz de combustion portable calibré pour mesurer simultanément l'O2, le CO, le CO2 et l'efficacité de la combustion, peut récupérer 5 à 15% de consommation de carburant dans des systèmes qui fonctionnaient avec un mauvais contrôle air-carburant. Il s’agit de l’intervention d’efficacité la plus accessible et la plus rapidement rentable disponible et devrait être la première action de tout programme d’amélioration de l’efficacité des tubes radiants.
Coût de mise en œuvre : modéré à élevé (15 000 à 80 000 USD par tube selon la taille et la configuration). Période de récupération : 12 à 36 mois aux prix typiques du gaz naturel industriel. L'installation d'un système de brûleur à récupération sur un tube radiant précédemment non récupéré peut réduire la consommation de carburant en 20 à 35% à des températures de fonctionnement de 900 à 1 050 degrés C. Pour les fours équipés de nombreux brûleurs à tubes radiants (8 à 20 brûleurs par four sont typiques pour les conceptions à bande continue ou à foyer à rouleaux), l'économie globale de combustible est substantielle et les périodes d'amortissement sont en conséquence courtes.
L'infiltration d'air dans les chambres du four à travers les joints de porte, les ports d'électrodes, les pénétrations des thermocouples et les ouvertures des convoyeurs entraîne deux conséquences négatives sur l'efficacité : elle dilue l'atmosphère contrôlée (augmentant la consommation de gaz de l'atmosphère) et elle introduit de l'air froid que les tubes radiants doivent chauffer, augmentant ainsi la consommation de carburant sans production productive. L'étanchéité systématique des voies d'infiltration d'air — à l'aide de joints en corde de fibre céramique sur les portes, de joints de purge sur les ouvertures des convoyeurs et de garnitures en laine minérale sur les pénétrations des instruments — peut réduire la consommation de carburant en 5 à 12% dans des fours anciens dont l'étanchéité est détériorée.
Le remplacement des briques réfractaires détériorées par des modules d'isolation en fibre céramique sur les parois et le toit du four réduit simultanément la perte de chaleur des parois en régime permanent et la masse thermique, améliorant à la fois l'efficacité de fonctionnement continu et l'efficacité du cycle de lots. Pour les fours de plus de 15 à 20 ans avec une isolation en brique d'origine, les améliorations de l'isolation permettent généralement de réaliser des économies de carburant de 15 à 25% avec des périodes d’amortissement de 2 à 5 ans selon la taille du four et les heures de fonctionnement. (Source : Programme de technologies industrielles du DOE, « Réduction et récupération de la chaleur résiduelle pour améliorer l'efficacité des fours » ; Bulletin technique de l'IHEA sur l'isolation des fours.)
Notre Tube Radiant La gamme de produits est conçue et fabriquée avec l'efficacité thermique et la durée de vie comme priorités d'ingénierie égales. Chaque tube de notre série est produit à partir d'alliages de nickel à haute teneur en chrome soigneusement sélectionnés - y compris les qualités HK40, HP modifiées et 35Cr-45Ni - avec un contrôle de la composition et une qualité de coulée optimisés pour l'émissivité de surface élevée, le faible taux d'oxydation interne et la résistance au fluage qui maximisent à la fois l'efficacité du rayonnement et la durée de vie dans les environnements exigeants de fours continus.
Les principales caractéristiques techniques de notre série de tubes radiants qui soutiennent l'efficacité opérationnelle comprennent :
Qu'il s'agisse d'une ligne de cémentation automobile continue à grand volume où le coût du carburant par unité traitée est la principale mesure économique, d'un four de trempe de précision pour l'aérospatiale où l'uniformité de la température est l'exigence dominante, ou d'un four de frittage de céramique spécialisé fonctionnant à la température maximale de la technologie des tubes SiC, notre série de tubes radiants offre la qualité des matériaux et la précision géométrique nécessaires pour fonctionner avec une efficacité maximale tout au long de la durée de vie du tube.
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