Une usine chimique a perdu un thermoplongeur en PTFE dans une cuve nickelée après seulement sept mois de service. La gaine présentait un motif de fines fissures qui se croisaient le long de la section inférieure chauffée. Les fissures n'étaient pas concentrées sur les bords ou sur la conduite de liquide. Ils étaient répartis dans la zone faisant face à l'entrée de recirculation du réservoir. La pompe de circulation de l'usine a été programmée pour s'allumer et s'éteindre toutes les quinze minutes afin d'économiser de l'énergie. Chaque cycle de pompe imposait un choc thermique à la surface du réchauffeur.
La fissuration par choc thermique se produit lorsqu'une surface de thermoplongeur en PTFE subit des changements de température rapides qui dépassent la capacité du polymère à s'adapter à la contrainte résultante. Les fissures se forment parce que la surface se dilate ou se contracte plus rapidement que le matériau sous-jacent. Au fil du temps, la contrainte cyclique provoque des fissures de fatigue.
Comment le cycle de pompe crée un choc thermique
Lorsque la pompe de circulation fonctionne, la vitesse du fluide à la surface du réchauffeur est élevée. La couche limite est fine et le transfert de chaleur est efficace. La température de la surface de la gaine reste comprise entre 10 et 15 degrés par rapport au fluide en vrac.
Lorsque la pompe s'arrête, la vitesse du fluide à la surface du réchauffeur chute à près de zéro. La couche limite s’épaissit et l’efficacité du transfert de chaleur s’effondre. La température de la surface de la gaine augmente, parfois de 20 à 30 degrés en quelques minutes. La dilatation thermique du PTFE augmente.
Lorsque la pompe redémarre, le flux-à grande vitesse refroidit rapidement la surface. Les contrats PTFE. Le métal sous-jacent, qui n’a pas refroidi aussi rapidement, limite la contraction. Le PTFE subit une contrainte de traction. Des cycles répétés de chauffage et de refroidissement provoquent des fissures de fatigue.
| Période de cycle de pompe | Surface ΔT pendant le cycle d'arrêt | Surface ΔT pendant le cycle de marche | Amplitude de contrainte | Il est temps de craquer |
|---|---|---|---|---|
| 30 minutes marche/arrêt | 15-20 degrés | 10-15 degrés | Modéré | 18 à 30 mois |
| 15 minutes marche/arrêt | 20 à 30 degrés | 15-20 degrés | Haut | 8 à 16 mois |
| 10 minutes marche/arrêt | 25-35 degrés | 18-25 degrés | Très élevé | 4 à 10 mois |
| 5 minutes marche/arrêt | 30 à 45 degrés | 20 à 30 degrés | Grave | 2 à 6 mois |
Fréquence des cycles de pompe et son effet sur la fissuration par choc thermique
Pourquoi les fissures se concentrent près de l'entrée
Les fissures se forment là où le choc thermique est le plus sévère -la zone qui fait face à l'entrée de recirculation. Lorsque la pompe redémarre, le débit d'entrée frappe directement cette zone. La surface y refroidit plus rapidement que le reste du radiateur. Le gradient thermique entre la zone impactée et la surface environnante crée la contrainte la plus élevée.
Les fissures dans le réchauffeur en panne étaient concentrées dans une bande d'environ 150 mm de large, centrée sur le trajet d'écoulement d'entrée. Le reste du radiateur ne présentait qu’une légère décoloration de la surface.
La différence entre le choc thermique et la fatigue thermique
Le choc thermique et la fatigue thermique sont liés mais distincts. La fatigue thermique se produit lorsque le radiateur oscille entre deux températures sur une longue période. Le changement de température par cycle est modéré et la contrainte est faible. Les fissures se développent lentement, souvent au fil des années.
Un choc thermique se produit lorsque le changement de température par cycle est important et rapide. La contrainte est élevée et les fissures se développent rapidement. Les fissures sont souvent plus sévères et plus largement réparties qu’en fatigue thermique.
Prévenir les fissures dues aux chocs thermiques
La prévention la plus efficace consiste à éviter les changements rapides de débit à la surface du réchauffeur. Une pompe fonctionnant en continu élimine le cycle de choc thermique. Si des économies d'énergie sont nécessaires, une pompe à vitesse variable-qui maintient un débit minimum est meilleure qu'une pompe marche/arrêt.
Si le cycle de la pompe est inévitable, la période du cycle doit être suffisamment longue pour permettre à la température de la surface du réchauffeur de se stabiliser entre les cycles. Un cycle de 30 minutes impose moins de stress qu’un cycle de 10 minutes. La durée minimale du cycle dépend de la masse thermique du réchauffeur et du réservoir.
Un appareil de chauffage avec une gaine PTFE plus épaisse et une densité en watts plus faible a une masse thermique plus élevée et une température de surface plus faible. Il réagit plus lentement aux changements de débit et subit des contraintes de choc thermique moindres.
| Mesure de prévention | Effet sur le choc thermique | Mise en œuvre | Coût |
|---|---|---|---|
| Fonctionnement continu de la pompe | Élimine le cycle de choc | Changement opérationnel | Coût énergétique |
| Pompe à vitesse variable- | Maintient un débit minimum | Mise à niveau de la pompe | Modéré |
| Période de cycle plus longue | Amplitude de contrainte inférieure | Changement de contrôle | Faible |
| Densité de puissance inférieure | Température de surface inférieure | Conception du chauffage | Modéré |
| Gaine plus épaisse | Plus de masse thermique | Conception du chauffage | Modéré |
Mesures de prévention contre la fissuration par choc thermique
Lorsque la fissuration par choc thermique indique un problème de conception
Un réchauffeur qui développe des fissures dues au choc thermique malgré le fonctionnement continu de la pompe indique que la conception du réchauffeur ou la disposition du réservoir crée une contrainte thermique localisée. Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec une densité de watts inférieure, une gaine plus épaisse et une position optimisée en termes de débit-résout la cause profonde du choc thermique. Le processus de spécification nécessite le programme de fonctionnement de la pompe, la vitesse d'écoulement au niveau du réchauffeur, la chimie du bain et la puissance requise. Pour les installations à circulation intermittente, cette approche spécifique à l'application- réduit les fissures dues aux chocs thermiques et prolonge la durée de vie du réchauffeur.
