Une usine de traitement des eaux usées de finition des métaux a remplacé une plaque chauffante revêtue de 6 kW après seulement cinq mois. La plaque avait été installée dans un réservoir d'égalisation de 15 000-litres recevant l'eau de rinçage des lignes de placage, de phosphatation et d'anodisation. Le réservoir contenait 3 à 5 % de matières en suspension, d'hydroxydes métalliques, de précipités de phosphate de calcium et de gravier résiduel. La surface de la plaque présentait une couche de dépôt épaisse et inégale contenant des particules incrustées. La résistance d'isolement est tombée en dessous de 20 MΩ.
Les eaux usées à haute teneur en solides-sont fondamentalement différentes des bains de placage propres. Le fluide n'est pas une solution-c'est une suspension. Les particules solides se déposent, se déposent et s'accumulent sur les surfaces chauffées. Les exigences thermiques et mécaniques d'une plaque chauffante dans cet environnement nécessitent une approche de conception qui prend en compte la concentration de solides, la distribution granulométrique, la vitesse de sédimentation et la méthode de nettoyage disponible dans l'usine.
Pourquoi les solides en suspension modifient l'équation de transfert de chaleur
Les particules en suspension affectent le transfert de chaleur de deux manières. Premièrement, ils augmentent la viscosité effective du fluide, épaississant la couche limite thermique à la surface de la plaque. Deuxièmement, ils se déposent directement sur la plaque, formant une couche poreuse et inégale qui ajoute une résistance thermique et crée des points chauds localisés sous des dépôts plus épais.
Le taux de dépôt dépend de la concentration des particules, de la vitesse d'écoulement au niveau de la plaque et de la différence de température entre la plaque et le fluide en vrac. Une température élevée à la surface de la plaque augmente le dépôt en favorisant la précipitation des espèces dissoutes et en amenant les particules à adhérer plus fortement à la surface chaude.
| Concentration de matières en suspension | Viscosité relative | Taux de dépôt sur plaque | Temps jusqu'à l'échelle de 2 mm | Densité de puissance sûre |
|---|---|---|---|---|
| <0.1% (clean water) | 1.0× | Très faible | >12 mois | 1,5 à 2,0 W/cm² |
| 0,5 à 1,0 % (solides légers) | 1.1–1.3× | Faible | 6 à 10 mois | 1,2 à 1,4 W/cm² |
| 2 à 3 % (solides modérés) | 1.3–1.8× | Modéré | 3 à 5 mois | 0,9 à 1,1 W/cm² |
| 4 à 6 % (solides lourds) | 1.8–2.5× | Haut | 6 à 10 semaines | 0,6 à 0,8 W/cm² |
Taux de dépôt des réservoirs de traitement des eaux usées recevant un mélange d’eau de rinçage et de phosphatation
Montage vertical ou horizontal en service de solides-élevé
L'orientation de la plaque détermine si les solides se déposent sur la surface ou glissent. Une plaque montée horizontalement présente une grande surface orientée vers le haut où les particules s'accumulent par gravité. La couche de dépôt se développe de haut en bas et l’accumulation la plus épaisse se produit sur la surface supérieure, là où l’écoulement est le plus faible.
Une plaque montée verticalement présente une section transversale horizontale-plus petite. Les solides qui se déposent sur le dessus de la bride ou sur les éléments de support horizontaux ne recouvrent pas toute la surface chauffée. La surface de la plaque verticale subit principalement un dépôt dû au cisaillement- plutôt qu'à une sédimentation par gravité. Les données de terrain des réservoirs d'eaux usées montrent que les plaques montées verticalement accumulent 40 à 60 % de dépôts en moins sur la même période de fonctionnement par rapport aux unités horizontales.
| Orientation de montage | Accumulation de dépôts | Fréquence de nettoyage | Meilleure application |
|---|---|---|---|
| Horizontal, orienté vers le haut- | Haut | Fréquent | Non recommandé |
| Horizontal, orienté vers le bas- | Modéré | Modéré | Espace limité |
| Vertical, parallèle au flux | Faible | Rare | La plupart des applications |
| Vertical, perpendiculaire au flux | Modéré | Modéré | Réservoirs à haut-débit |
Orientation de montage et son effet sur l'accumulation de dépôts
Effets de finition de surface et de géométrie des plaques
Une surface de plaque lisse et polie réduit la force d’adhésion des solides déposés. Les particules qui adhéreraient de manière tenace à une surface rugueuse glissent plus facilement lorsque la vitesse d'écoulement augmente pendant les cycles de mélange ou de nettoyage en cuve. Les surfaces polies prolongent l'intervalle de nettoyage de 30 à 50 % en service à haute teneur en solides-par rapport aux finitions de surface standard.
L'épaisseur de la plaque compte également. Une plaque plus épaisse a une masse thermique plus importante et réagit plus lentement aux changements de puissance. Mais il résiste également mieux à la déformation et aux dommages mécaniques. En service à haute teneur en solides-, où le nettoyage peut impliquer un brossage ou un grattage, une plaque plus épaisse est plus durable.
Stratégies d'agitation et de nettoyage pour les réservoirs chargés de solides-
Le mélange intermittent à haute-vitesse est plus efficace qu'une agitation continue à faible-niveau pour un service à haute-solides. L'augmentation périodique de la vitesse d'écoulement au niveau de la plaque à 0,5–0,8 m/s permet de récurer les dépôts meubles avant qu'ils ne durcissent en une couche tenace. Ceci peut être réalisé avec un éjecteur contrôlé par minuterie-ou une pompe de mélange dédiée qui fonctionne pendant 5 à 10 minutes toutes les heures.
Le nettoyage chimique en place nécessite une solution de nettoyage qui dissout la composition spécifique du dépôt. Les tartres d'hydroxyde métallique réagissent à l'acide dilué. Les dépôts de phosphate de calcium nécessitent un agent chélateur ou un léger trempage acide. Un programme de nettoyage basé sur les résultats de l'inspection-et non sur un calendrier fixe-empêche les dépôts d'atteindre des épaisseurs qui entraînent la température de surface de la plaque dans la plage de dégradation.
| Méthode de nettoyage | Efficacité sur les Hydroxydes métalliques | Efficacité sur les échelles de phosphate | Risque pour la plaque | Intervalle recommandé |
|---|---|---|---|---|
| Diluer la circulation du HCl | Haut | Modéré | Faible | 4 à 8 semaines |
| Trempage à l'acide sulfamique | Modéré | Haut | Faible | 6 à 10 semaines |
| Chélation EDTA | Modéré | Haut | Faible | 8 à 12 semaines |
| Jet d'eau à haute-pression | Haut | Modéré | Modéré | 8 à 12 semaines |
| Brossage mécanique | Haut | Haut | Haut | Non recommandé |
Recommandations de méthodes de nettoyage des installations de traitement des eaux usées avec plaques chauffantes
Étapes de spécification pratiques pour les eaux usées à haute teneur en-solides
Commencez par une caractérisation des solides. La concentration totale de matières en suspension, la distribution granulométrique et la composition minérale déterminent le taux de dépôt et la méthode de nettoyage requise. Une simple analyse gravimétrique et un examen de la chimie du procédé en amont fournissent la plupart des informations nécessaires.
Sélectionnez la densité en watts à partir de la concentration réelle de solides. Pour 2 à 3 % de matières en suspension, une limite de 0,9 à 1,1 W/cm² est appropriée. Au-dessus de 4 % de solides, réduire à 0,6–0,8 W/cm². Ces valeurs supposent un montage vertical et un mélange périodique à haute vitesse-. Le montage horizontal nécessite une réduction supplémentaire de 20 à 30 %.
Spécifiez une surface de plaque polie. Le coût supplémentaire est modeste et l’allongement de l’intervalle de nettoyage est substantiel. Vérifiez que le réservoir a une profondeur adéquate pour un montage vertical avec au moins 75 mm de couverture de liquide au-dessus de la section chauffée. Si la profondeur est insuffisante, envisagez plusieurs plaques plus courtes plutôt qu’une seule unité longue.
Installez une surveillance du débit et un coupe-circuit-haute température. En service à haute teneur en solides-, un filtre bouché ou une pompe mélangeuse défaillante peut faire chuter la vitesse d'écoulement en dessous du seuil de sécurité en quelques heures. Un interrupteur de débit et une limite de température de surface de la plaque de 15 à 20 degrés au-dessus de la température de fonctionnement normale offrent une protection contre la surchauffe rapide qui suit la perte de débit.
Lorsque les plaques standard ne peuvent pas accueillir la charge de solides
Les réservoirs de traitement des eaux usées présentant des concentrations élevées de solides et un espace périphérique limité ne peuvent souvent pas accueillir de plaques chauffantes standard aux densités en watts qui empêchent un encrassement rapide. Un service de 6 kW à 0,8 W/cm² nécessite 7 500 cm² de surface de plaque-plus qu'une seule plaque n'en fournit dans les dimensions typiques d'un réservoir.
Une configuration de plaque chauffante personnalisée avec une grande surface, une faible densité de watts et une surface polie s'attaque à la cause première de l'encrassement lié aux solides-. Le processus de spécification nécessite la concentration de matières en suspension, les caractéristiques des particules, les dimensions du réservoir, la méthode de mélange et la puissance requise. Pour les installations disposant de plusieurs réservoirs de traitement des eaux usées, cette approche-spécifique à l'application réduit la surchauffe liée aux dépôts-et prolonge l'intervalle entre les nettoyages requis.
