La menace de la vitesse
La vapeur entrant dans un tube d'échangeur de chaleur en PTFE à 25-35 m/s transporte des gouttelettes de condensat entraînées. Ces gouttelettes, se déplaçant à une vitesse proche de celle de la vapeur, impactent la paroi du tube au niveau des coudes, des transitions de collecteur et des zones de perturbation du débit. Chaque impact délivre une impulsion mécanique microscopique à la surface en PTFE.
À faible vitesse, l'énergie d'impact est absorbée élastiquement par le polymère viscoélastique. La surface rebondit sans dommage. À des vitesses plus élevées, l’effet cumulé de millions d’impacts de gouttelettes produit une rugosité de la surface, une perte de matière et finalement un amincissement des parois. Il s'agit d'une érosion-usure purement mécanique sans composant chimique.
La vitesse maximale admissible de la vapeur est le seuil en dessous duquel l’érosion pendant la durée de vie nominale est négligeable. Au-dessus de ce seuil, l'érosion s'accumule jusqu'à une perte de paroi mesurable au cours de la durée de vie de l'équipement.
Le mécanisme d’impact des gouttelettes
Du condensat se forme continuellement lorsque la vapeur libère sa chaleur latente. Une partie du condensat s'écoule sous forme d'un film le long de la paroi du tube. Une partie est entraînée sous forme de gouttelettes dans le noyau de vapeur à haute vitesse. Dans les coudes et les obstructions, les gouttelettes sont projetées vers l'extérieur par la force centrifuge et frappent la paroi du tube.
La pression d'impact d'une gouttelette d'eau sur une surface solide est proportionnelle à la pression du coup de bélier : P=ρ × c × V, où ρ est la densité de l'eau, c est la vitesse acoustique dans l'eau (environ 1 500 m/s) et V est la vitesse d'impact des gouttelettes. À une vitesse d'impact de 30 m/s, la pression instantanée au point d'impact dépasse 45 MPa-suffisante pour déformer localement le PTFE.
Un seul impact ne provoque aucun dommage mesurable. Mais un système à vapeur fonctionnant 6 000 heures par an envoie des centaines de millions de gouttelettes sur la paroi du tube sur une décennie. La fatigue cumulative due aux micro-déformations répétées produit finalement des fissures de surface, un détachement de particules et un amincissement mesurable des parois.
Tableau 1 : Limites de vitesse de vapeur pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE
| Pression de vapeur (barg) | DI du tube (mm) | Vitesse maximale recommandée de la vapeur (m/s) | Vitesse maximale absolue (m/s) | Risque d’érosion supérieur au maximum absolu |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Modéré (rugosité dans les 5 ans) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Modéré |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Modéré |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Faible-Modéré (un diamètre plus grand réduit la concentration des gouttelettes) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Modéré |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Faible (diamètre plus grand ; densité de vapeur plus faible à pression plus élevée) |
Limites de vitesse basées sur les données de résistance à l'érosion du PTFE et une extrapolation prudente à partir d'une expérience de service à long terme-. Le maximum absolu représente la vitesse au-dessus de laquelle une érosion mesurable est attendue dans les 10 ans de service continu.
La connexion entre les fractions de sécheresse
Les limites de vitesse de vapeur supposent une fraction de siccité de 98 % ou plus-, ce qui signifie 2 % ou moins d'eau entraînée en masse. À des fractions de siccité inférieures, la teneur en eau entraînée est plus élevée et le risque d'érosion à une vitesse donnée augmente proportionnellement.
Si la qualité de la vapeur de l'usine est inférieure à 98 % de siccité, la vitesse maximale autorisée doit être réduite de 10 à 15 % pour tenir compte de la charge accrue de gouttelettes. Alternativement, un séparateur de vapeur installé en amont de l'échangeur thermique élimine l'excès d'eau entraînée et rétablit la marge de vitesse de conception.
Calcul de la vitesse de conception
La vitesse de la vapeur dans chaque tube est calculée en divisant le débit volumétrique de vapeur par tube par la section transversale du tube-. Le débit massique total de vapeur est déterminé à partir de la puissance calorifique : débit massique=puissance thermique / chaleur latente de la vapeur.
Pour un échangeur thermique en PTFE de 50 kW avec 40 tubes de 8 mm de diamètre fonctionnant à 3 barg de vapeur, le débit massique par tube est d'environ 0,75 kg/h. Le volume spécifique de vapeur saturée à 3 barg est de 0,46 m³/kg. Le débit volumétrique par tube est de 0,35 m³/h. La section transversale du tube-est de 5,0 × 10⁻⁵ m². La vitesse de la vapeur est de 1,9 m/s-bien dans les limites de sécurité.
Le calcul de la vitesse doit être effectué pendant la phase de conception et vérifier qu'elle tombe en dessous du maximum recommandé. Pour la plupart des échangeurs de chaleur en PTFE dotés d'un nombre de tubes adéquat, les vitesses de vapeur sont naturellement faibles en raison des multiples chemins d'écoulement parallèles. La vitesse élevée est plus souvent un problème dans les petits échangeurs comportant peu de tubes ou dans les systèmes où la pression d'alimentation en vapeur est nettement supérieure à la pression de conception.
Résumé
La vitesse maximale autorisée de la vapeur à l'intérieur des tubes d'échangeur de chaleur en PTFE est de 20 à 30 m/s, en fonction du diamètre du tube et de la pression de la vapeur, 35 à 38 m/s représentant le maximum absolu au-dessus duquel une érosion mesurable est attendue. Ces limites supposent une fraction de siccité de vapeur de 98 % ou plus. Les fractions de siccité inférieures nécessitent une réduction de la vitesse.
Pour la plupart des échangeurs multitubes en PTFE multi- correctement conçus, les vitesses de vapeur tombent naturellement en dessous de ces limites en raison du grand nombre de chemins d'écoulement parallèles. La vérification de la vitesse lors de la conception garantit que l'érosion ne limite pas la durée de vie de l'équipement.
Une analyse technique pour la vérification de la vitesse de la vapeur dans des conceptions spécifiques d'échangeurs de chaleur en PTFE est disponible sur présentation des données sur la consommation thermique, la pression de la vapeur, le nombre et les dimensions des tubes et la qualité de la vapeur.
