Le bronze d'aluminium qui sert l'eau de mer depuis des décennies
Le bronze d'aluminium est un alliage à base de cuivre- contenant 5 à 11 % d'aluminium, avec des ajouts de fer, de nickel et de manganèse. L'alliage forme un film protecteur d'oxyde d'aluminium qui résiste à la corrosion par l'eau de mer, et le film est auto-cicatrisant s'il est endommagé. Le taux de corrosion dans l'eau de mer propre est généralement inférieur à 0,025 mm par an, ce qui offre une durée de vie de 20 à 30 ans pour une épaisseur de paroi de tube typique.
Le bronze d'aluminium est utilisé dans les échangeurs de chaleur à eau de mer car il combine une résistance adéquate à la corrosion avec une conductivité thermique élevée et un coût modéré. La conductivité thermique est d'environ 60 W/m·K, soit environ 240 fois supérieure à celle du PTFE. La conductivité élevée signifie que les échangeurs de chaleur en bronze d'aluminium sont compacts et relativement peu coûteux.
La limitation du bronze d'aluminium est sa sensibilité à l'érosion-corrosion à des vitesses d'écoulement élevées et à l'attaque des sulfures dans l'eau de mer polluée. La limite d'érosion-corrosion est généralement de 1,5 à 2,5 m/s pour le service à l'eau de mer, au-dessus de laquelle le film protecteur est retiré mécaniquement et le taux de corrosion augmente fortement. L'attaque des sulfures se produit lorsque l'eau de mer contient du sulfure d'hydrogène, courant dans les ports et les estuaires pollués. Le sulfure réagit avec le cuivre présent dans l'alliage et forme du sulfure de cuivre, qui n'est pas protecteur.
Le PTFE qui élimine les mécanismes de corrosion
Le PTFE résiste à l’eau de mer à toutes les concentrations et températures dans sa plage de service. Le matériau ne se corrode pas et la durée de vie est déterminée par des facteurs mécaniques plutôt que par une attaque chimique. Le PTFE n'est pas sensible à l'érosion-corrosion à des vitesses d'écoulement élevées et il n'est pas attaqué par les sulfures ou les chlorures.
L'élimination des mécanismes de corrosion est la principale raison pour laquelle le PTFE est spécifié pour le service en eau de mer, où le bronze d'aluminium échouerait. L'unité PTFE ne développe pas d'érosion-corrosion ou d'attaque de sulfure qui limitent la durée de vie du bronze d'aluminium, et les performances de transfert de chaleur restent stables tout au long de la durée de vie.
L'écart de conductivité thermique
La conductivité thermique du bronze d'aluminium est d'environ 60 W/m·K, contre 0,25 W/m·K pour le PTFE. Le rapport est d'environ 240:1.
Pour un échangeur de chaleur rejetant 100 kW dans l'eau de mer à 30 degrés, une unité en bronze d'aluminium nécessite environ 5 m² de surface, sur la base d'un coefficient de transfert thermique global de 1 000 W/m²·K et d'une différence de température moyenne logarithmique de 20 degrés. Une unité PTFE pour le même usage nécessite environ 25 m² de surface, sur la base d'un coefficient global de 200 W/m·K et de la même différence de température.
L'unité PTFE est 5 fois plus grande que l'unité bronze aluminium. Une taille plus grande augmente le coût en capital, la surface au sol et le volume de fluide. Le flux thermique plus faible réduit la température de la paroi du tube, ce qui est bénéfique pour le processus, mais la surface plus grande offre également plus de surface pour les dépôts et nécessite plus de temps de nettoyage.
La limite d'érosion-corrosion du bronze aluminium
La limite d'érosion-corrosion est la vitesse d'écoulement au-dessus de laquelle le film protecteur sur le bronze d'aluminium est éliminé mécaniquement et le taux de corrosion augmente fortement. La limite dépend de la composition de l’alliage, de la chimie de l’eau de mer et de la géométrie du tube.
Pour le bronze d'aluminium standard dans l'eau de mer propre, la limite d'érosion-corrosion est généralement de 1,5 à 2,5 m/s. Au-dessus de cette vitesse, le taux de corrosion peut augmenter d'un facteur de cinq à dix et la durée de vie est réduite de 20 à 30 ans à 3 à 5 ans.
La limite d'érosion-corrosion est un paramètre de conception critique pour les échangeurs de chaleur en bronze d'aluminium. La vitesse côté tube-doit être maintenue en dessous de la limite, ce qui peut nécessiter un diamètre de tube plus grand ou un débit plus faible. Le plus grand diamètre de tube augmente la taille de l'échangeur de chaleur et le coût d'investissement.
Le PTFE n'a pas de limite d'érosion-corrosion dans le même sens. Le matériau n'est pas susceptible d'être retiré mécaniquement d'un film protecteur car il n'y a pas de film protecteur. L'échangeur de chaleur en PTFE peut fonctionner à des vitesses d'écoulement plus élevées sans risque d'érosion-corrosion, ce qui offre plus de flexibilité dans la conception.
L’attaque des sulfures sur le bronze d’aluminium
L’attaque des sulfures se produit lorsque l’eau de mer contient du sulfure d’hydrogène, ce qui est courant dans les ports, les estuaires et les zones de rejets industriels pollués. Le sulfure réagit avec le cuivre présent dans le bronze d'aluminium et forme du sulfure de cuivre, qui n'est pas protecteur. Le taux de corrosion augmente fortement et la durée de vie est réduite de 20 à 30 ans à 1 à 3 ans.
L'attaque des sulfures est un phénomène localisé qui s'initie aux extrémités du tube et aux joints du tube-à-la plaque tubulaire, où la vitesse d'écoulement est faible et la concentration en sulfure est élevée. L'attaque se manifeste par des piqûres qui pénètrent dans la paroi du tube et provoquent une fuite.
Le PTFE n'est pas attaqué par le sulfure. Le matériau résiste au sulfure d’hydrogène à toutes les concentrations et températures dans sa plage de service. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles le PTFE est spécifié pour le service de l'eau de mer dans les ports et les estuaires pollués.
Comparaison des deux matériaux dans l'échange thermique de l'eau de mer
Le tableau suivant résume les caractéristiques de performance et de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et en bronze d'aluminium dans un service d'échange de chaleur à l'eau de mer à 30 degrés avec de l'eau de mer propre et une vitesse d'écoulement de 1,5 m/s.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en bronze d'aluminium | Échangeur de chaleur en PTFE | Avantage |
|---|---|---|---|
| Conductivité thermique | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Bronze d'aluminium |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Bronze d'aluminium |
| Surface nécessaire pour 100 kW | 5 m² | 25 m² | Bronze d'aluminium |
| Résistance chimique à l’eau de mer propre | Excellent | Excellent | Égal |
| Résistance chimique à l'eau de mer contaminée par des sulfures- | Pauvre | Excellent | PTFE |
| Limite d'érosion-corrosion | 1.5–2.5 m/s | Aucun | PTFE |
| Température de fonctionnement maximale | 200 degrés | 260 degrés | PTFE |
| Résistance mécanique | Haut | Modéré | Bronze d'aluminium |
| Résistance aux chocs thermiques | Modéré | Haut | PTFE |
| Réparabilité | Limité | Bien | PTFE |
| Durée de vie dans l'eau de mer propre | 20 à 30 ans | 15 à 20 ans | Bronze d'aluminium |
| Durée de vie dans l'eau de mer contaminée par des sulfures- | 1 à 3 ans | 15 à 20 ans | PTFE |
| Coût d'investissement pour un droit de 100 kW | $45,000 | $52,000 | Bronze d'aluminium |
| Coût d'installation | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Coût d'entretien annuel | $2,000 | $3,000 | Bronze d'aluminium |
| Coût total sur cinq -ans (eau de mer propre) | $91,000 | $92,000 | Égal |
| Coût total sur cinq -ans (contaminé par des sulfures-) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 600 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans. Le cas contaminé par le sulfure- suppose un remplacement de l'échangeur de chaleur sur cinq ans pour l'unité en bronze d'aluminium.
Quand le bronze d’aluminium est le meilleur choix
Le bronze d'aluminium est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service d'eau de mer propre.Lorsque l'eau de mer est propre et que la vitesse d'écoulement est inférieure à la limite d'érosion-corrosion, le bronze d'aluminium offre d'excellentes performances à un coût d'investissement inférieur.
Service à faible-vitesse.Lorsque la vitesse d'écoulement est inférieure à 1,5 m/s, le risque d'érosion-corrosion est faible et le bronze d'aluminium est le meilleur choix.
Installations-à espace limité.Lorsque l’espace disponible est très limité, la plus petite unité en bronze d’aluminium peut être la seule option possible. L'unité PTFE nécessiterait 5 fois plus de surface, ce qui pourrait ne pas tenir dans l'espace disponible.
Service haute-pression.Le bronze d'aluminium a une résistance mécanique supérieure à celle du PTFE et peut résister à des pressions plus élevées. Pour le service avec de l'eau de mer à des pressions supérieures à 10 bars, le bronze d'aluminium peut être la seule option viable.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Eau de mer contaminée par des sulfures-.Le PTFE résiste aux sulfures, tandis que le bronze d'aluminium est attaqué. Pour le service de l'eau de mer dans les ports et estuaires pollués, le PTFE est le meilleur choix.
Service à haute-vitesse.Le PTFE n'a pas de limite d'érosion-corrosion, ce qui le rend adapté à un service à des vitesses d'écoulement élevées.
Service de cyclisme thermique.Le PTFE a une résistance aux chocs thermiques plus élevée que le bronze d'aluminium, ce qui le rend adapté à un service avec des changements de température fréquents.
Service réparable.Les échangeurs de chaleur en PTFE peuvent être réparés sur site par un technicien qualifié, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Exigence de longue durée de vie dans l’eau de mer contaminée.Lorsque l'eau de mer est contaminée et que l'échangeur thermique devrait avoir une durée de vie de 10 ans ou plus, le PTFE est le meilleur choix car il résiste aux attaques chimiques sur une période plus longue.
Caractéristiques de conception qui prolongent la durée de vie
Plusieurs caractéristiques de conception prolongent la durée de vie des échangeurs de chaleur en PTFE et en bronze d'aluminium en service avec de l'eau de mer.
Contrôle de la vitesse d'écoulement.Le maintien de la vitesse d'écoulement en dessous de la limite d'érosion-corrosion réduit le taux de corrosion du bronze d'aluminium.
Surveillance des sulfures.La surveillance de la concentration de sulfures dans l'eau de mer permet à l'opérateur de passer à une autre source de refroidissement si la concentration de sulfures dépasse le seuil.
Protection cathodique.Des anodes sacrificielles ou un système de protection cathodique à courant imposé peuvent réduire le taux de corrosion du bronze d'aluminium.
Dispositions de nettoyage sur place-.Les connexions pour l'alimentation et le retour de la solution de nettoyage permettent de nettoyer l'échangeur thermique sans démontage, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Surveillance de la température.Des capteurs de température à l'entrée et à la sortie de l'échangeur thermique permettent de surveiller les performances de transfert de chaleur, ce qui permet une détection précoce d'un encrassement ou d'une dégradation.
Paramètres de spécification pour l’échange thermique à l’eau de mer
Les ingénieurs d'équipement évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE et en bronze d'aluminium pour l'échange thermique à l'eau de mer doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Chimie de l'eau de mer.Précisez la concentration de chlorure, la concentration de sulfure et tout autre contaminant.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température de fonctionnement maximale et le profil de température attendu.
Vitesse d'écoulement.Spécifiez la vitesse d'écoulement maximale et la limite d'érosion-corrosion pour le bronze d'aluminium.
Pression de service.Spécifiez la pression de fonctionnement maximale.
Charge thermique et superficie.Spécifiez la charge thermique et la surface requise pour chaque option de matériau.
Contraintes d'espace.Spécifiez l'espace disponible et l'encombrement maximum autorisé.
Capacité de maintenance.Préciser la capacité de maintenance de l'installation, y compris la capacité de réparer l'échangeur de chaleur sur place.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Faire correspondre la sélection des matériaux aux conditions de service de l'eau de mer
Le choix entre les échangeurs de chaleur en PTFE et en bronze d'aluminium dans l'échange thermique à l'eau de mer dépend de la chimie de l'eau de mer, de la vitesse d'écoulement, des contraintes d'espace et des exigences de durée de vie. Le bronze d'aluminium a une conductivité thermique plus élevée et nécessite moins de surface, mais il est sensible à l'érosion-corrosion et aux attaques de sulfures. Le PTFE a une conductivité thermique plus faible et nécessite plus de surface, mais il résiste à tous les contaminants de l’eau de mer et à toutes les vitesses d’écoulement.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre le coût d'investissement, le coût d'installation, le coût de maintenance et l'exposition aux pertes de production. Un simple modèle de feuille de calcul contenant ces éléments de coût fournit les informations nécessaires pour prendre la décision.
Pour les installations d'échange de chaleur à eau de mer évaluant les options d'échangeur de chaleur, le choix des matériaux doit être basé sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et non seulement sur le coût d'investissement ou les performances thermiques. Une unité en bronze d'aluminium avec un coût d'investissement inférieur peut avoir un coût de vie plus élevé si l'eau de mer est contaminée et que l'unité doit être remplacée fréquemment.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes des achats évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour l'échange thermique à l'eau de mer ou tout autre service corrosif peuvent demander une revue de conception couvrant la chimie de l'eau de mer, la température de fonctionnement, la vitesse d'écoulement, la pression de fonctionnement et les contraintes d'espace pour confirmer que la sélection des matériaux est adaptée aux conditions de service réelles et à la structure de coûts de l'installation.
