Une usine chimique exploitait un réservoir de traitement de 2 500 - litres, mesurant 2 200 mm de hauteur et 1 200 mm de diamètre. Un thermoplongeur en PTFE a été monté verticalement le long de la paroi du réservoir. Le radiateur est tombé en panne après seulement sept mois de service, avec des cloques concentrées sur le tiers supérieur de la section chauffée. Le réservoir n'avait aucune agitation mécanique : il comptait sur la convection naturelle pour distribuer la chaleur. La stratification thermique qui s'est développée dans le grand réservoir a créé une couche chaude en haut et une couche froide en bas, et la partie supérieure du radiateur fonctionnait dans la couche chaude.
La stratification thermique se produit lorsqu'un fluide développe des couches stables de températures différentes. Les couches ne se mélangent pas car le fluide le plus chaud et le moins dense reste au-dessus du fluide plus froid et plus dense. Dans un réservoir haut avec une faible circulation, la stratification peut être importante.
Pourquoi les grands chars se stratifient
La stratification est motivée par la flottabilité. Lorsqu'un thermoplongeur en PTFE réchauffe le fluide près de la paroi du réservoir, le fluide réchauffé monte. Dans un réservoir court, le fluide montant atteint rapidement la surface et se propage en se mélangeant à la masse. Dans un réservoir haut, le fluide montant forme une couche stable au sommet. La couche s'approfondit à mesure que du liquide chauffé s'accumule.
La différence de température entre les couches supérieure et inférieure peut atteindre 15 à 25 degrés dans un réservoir haut sans agitation. La couche supérieure est plus chaude et moins dense. La couche inférieure est plus froide et plus dense. L'interface entre les couches est une frontière stable qui résiste au mélange.
| Hauteur du réservoir | Rapport hauteur-/-diamètre | Mélange par convection naturelle | Du haut-au-ΔT du bas | Risque de stratification |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Bien | 3 à 6 degrés | Faible |
| 1 000 à 1 500 mm | 1:1 à 1,5:1 | Modéré | 6-12 degrés | Modéré |
| 1 500 à 2 000 millimètres | 1,5:1 à 2:1 | Pauvre | 12-18 degrés | Haut |
| >2 000 millimètres | >2:1 | Très pauvre | 18-25 degrés | Très élevé |
Hauteur des cuves et risque de stratification dans les cuves de process
Pourquoi la stratification raccourcit la durée de vie du chauffage en PTFE
Le radiateur fonctionne dans un environnement stratifié. La partie inférieure du réchauffeur se trouve dans le fluide plus froid et plus dense. La partie supérieure se trouve dans le fluide plus chaud et moins dense. La partie supérieure fonctionne à une température plus élevée que la partie inférieure.
La température plus élevée accélère tous les mécanismes de dégradation. La perméation, l'oxydation et le dépôt de tartre augmentent tous avec la température. La partie supérieure du radiateur se dégrade plus rapidement que la partie inférieure. Les cloques se concentrent au sommet.
La stratification réduit également la force motrice du transfert de chaleur. Le fluide en haut du réservoir est déjà chaud, donc la différence de température entre le réchauffeur et le fluide est plus petite. Le radiateur doit chauffer plus pour fournir la même chaleur, ce qui accélère encore la dégradation.
Pourquoi la convection naturelle ne peut pas vaincre la stratification
La convection naturelle est provoquée par la différence de densité entre le fluide chauffé et le fluide plus froid. Dans un réservoir haut, la différence de densité n’est pas suffisamment grande pour surmonter la stratification stable. Le fluide chauffé monte et reste en haut. Il ne se mélange pas au liquide de refroidissement situé en dessous.
La stratification devient plus stable à mesure que la différence de température augmente. Une différence de 15 degrés entre les couches supérieure et inférieure crée une différence de densité qui résiste au mélange. Les couches restent stables jusqu'à ce qu'une agitation mécanique ou une perturbation les brise.
Prévenir la stratification dans les grands réservoirs
La prévention la plus efficace est l’agitation mécanique. Une pompe de circulation, un éjecteur ou un tuyau de barbotage peuvent briser les couches stables et mélanger le réservoir. L'agitation doit être suffisante pour retourner le volume du réservoir dans un délai raisonnable. Un taux de renouvellement de 2 à 4 fois par heure est suffisant pour la plupart des réservoirs de traitement.
Un réchauffeur avec une densité en watts inférieure réduit la différence de température entre le réchauffeur et le fluide. La température de la surface inférieure réduit la stratification induite par la flottabilité-et ralentit la dégradation de la section chauffante supérieure.
Plusieurs radiateurs répartis à différentes hauteurs dans le réservoir assurent un chauffage plus uniforme et réduisent le gradient de température. Les radiateurs du bas chauffent le fluide plus froid et les radiateurs du haut maintiennent le fluide plus chaud. Le résultat est un profil de température plus uniforme.
| Mesure de prévention | Effet sur la stratification | Mise en œuvre | Coût |
|---|---|---|---|
| Agitation mécanique | Rompt les couches | Pompe, éjecteur ou barbotage | Modéré |
| Densité de puissance inférieure | Réduit la flottabilité | Conception du chauffage | Modéré |
| Plusieurs radiateurs à différentes hauteurs | Chauffage uniforme | Disposition du chauffage | Plus haut |
| Isolation du réservoir | Réduit les pertes de chaleur | Isolation | Modéré |
Mesures de prévention contre la stratification thermique dans les cuves de traitement de grande hauteur
Quand la stratification indique un problème de conception
Un réservoir haut qui se stratifie malgré l'agitation mécanique indique que l'agitation n'atteint pas le volume complet du réservoir ou que la disposition du chauffage n'est pas adaptée à la géométrie du réservoir. Une configuration personnalisée de thermoplongeurs en PTFE avec plusieurs éléments chauffants à différentes hauteurs, une densité en watts inférieure et une disposition optimisée en termes de débit-résout la cause profonde de la stratification. Le processus de spécification nécessite les dimensions du réservoir, la méthode d'agitation, l'exigence d'uniformité de la température et la puissance requise. Pour les installations dotées de grands réservoirs de traitement, cette approche spécifique à l'application- réduit la stratification et prolonge la durée de vie du réchauffeur.
