Dans un échangeur à coque-et-à tubes en PTFE, le fluide côté tube-peut effectuer un seul trajet de l'entrée à la sortie, ou il peut être acheminé plusieurs fois dans les deux sens à travers le faisceau. Le nombre de passages influence la vitesse du fluide, l'efficacité du transfert de chaleur et la puissance de pompage requise. Étant donné que le PTFE a une conductivité thermique intrinsèquement faible (environ 0,25 W/m·K), maximiser le coefficient de transfert thermique côté tube-est souvent une priorité. Pourtant, le choix entre une conception à passage unique-et une conception à passages multiples-n'est pas simple-il implique un compromis délibéré-entre l'amélioration du transfert de chaleur et la pénalité de perte de charge.
Comprendre les dispositions relatives aux passages de tubes
Le nombre de passages de tubes fait référence au nombre de fois où le fluide traversant les tubes traverse la longueur de l'échangeur. Les passages sont créés en installant des séparateurs (cloisons de passage) dans le canal ou le capot à une ou aux deux extrémités de l'échangeur. Ces diviseurs forcent le fluide à s'écouler à travers seulement une partie des tubes avant d'inverser la direction et d'entrer dans un autre ensemble de tubes.
Conception à passe unique-
Dans un échangeur à un seul-passe (1-passe), le fluide côté tube entre dans le canal à une extrémité, s'écoule directement à travers tous les tubes en parallèle et sort à l'extrémité opposée. Aucun séparateur interne n’est utilisé. Il s'agit de la configuration de flux la plus simple.
Conception à plusieurs-passes (2 passes, 4 passes, etc.)
Dans une conception à plusieurs-passages, le fluide effectue plusieurs traversées à travers le faisceau de tubes. Par exemple, dans un échangeur 2-passes, le canal d'entrée est divisé en deux sections. Le fluide entre dans une section, s'écoule à travers la moitié des tubes jusqu'à l'extrémité, inverse la direction dans un chapeau de retour, reflue à travers les tubes restants et sort de la deuxième section du canal côté entrée. Dans un échangeur à 4 passes, le processus se répète deux fois.
Le nombre de passages est toujours égal pour garder les buses d'entrée et de sortie à la même extrémité de l'échangeur, simplifiant ainsi les raccordements de tuyauterie.
Principales différences en matière de performances thermiques-hydrauliques
La décision entre unÉchangeur de chaleur PTFE monopasse ou multipassela conception dépend de la façon dont la vitesse du fluide, le coefficient de transfert de chaleur, la chute de pression et la différence logarithmique de température moyenne (LMTD) sont affectés.
Vitesse du fluide et coefficient de transfert de chaleur
Pour un débit total donné côté tube-, la vitesse du fluide dans chaque tube est déterminée par le nombre de tubes actifs dans chaque passage. Dans une conception à passage unique-, tous les tubes sont actifs simultanément. La section transversale disponible pour l'écoulement est la surface d'écoulement totale de tous les tubes. Par conséquent, la vitesse est relativement faible, sauf si le débit total est élevé.
Dans une conception à plusieurs-passes, le même débit total est forcé à travers seulement une fraction des tubes par passe. Pour un échangeur à 2-passes avec deux groupes de tubes égaux, chaque passe contient la moitié du total des tubes. La vitesse dans chaque tube double par rapport au cas à passage unique (pour le même débit total). Pour une conception à 4 passes, la vitesse quadruple.
Une vitesse plus élevée augmente le nombre de Reynolds côté tube-, ce qui à son tour augmente le coefficient de transfert de chaleur par convection. Étant donné que les tubes en PTFE ont déjà une faible conductivité thermique, la résistance limitante au transfert de chaleur se situe souvent sur le film fluide côté tube - (si le fluide côté coque - est une vapeur qui se condense ou un liquide à haute conductivité {{4}). L'augmentation de la vitesse côté tube-peut améliorer considérablement le coefficient de transfert de chaleur global.
Conséquences des chutes de pression
Une vitesse plus élevée a un coût : la chute de pression augmente avec le carré de la vitesse (approximativement). Pour une conception à 2-passes, la chute de pression côté tube-côté tube est environ quatre fois supérieure à celle d'une conception à un seul passage (vitesse doublée, plus pertes supplémentaires dans le chapeau de retour). Pour une conception à 4 passes, la chute de pression peut être 16 fois plus élevée, sans compter des pertes importantes dans les chambres d'inversion.
En pratique, la puissance de pompage disponible ou la chute de pression admissible dans la conduite de traitement limite souvent le nombre de passages pouvant être utilisés. Une configuration courante pour les échangeurs de chaleur en PTFE est 2-passes ou 4-passes lorsque le fluide côté tube-est un liquide de viscosité modérée et que la pompe a une hauteur de refoulement suffisante. Les conceptions à passage unique sont privilégiées lorsque le fluide côté tube est un gaz (où la chute de pression est plus critique) ou lorsque le débit est déjà élevé.
Correction de la différence de température moyenne (LMTD)
Une subtilité importante est que les conceptions à plusieurs-passes s'écartent du pur contre-courant, réduisant ainsi la force motrice effective de la température. Dans un échangeur à simple-passe avec disposition à contre-courant (fluide côté tube-direction opposée au fluide côté coque-), le LMTD est à son maximum. Dans un échangeur multi-passes, le modèle d'écoulement se rapproche du flux mixte ou croisé, nécessitant un facteur de correction (généralement noté F) appliqué au LMTD à contre-courant.
Pour un échangeur à 2-passes, le facteur de correction LMTD est généralement compris entre 0,95 et 0,99 pour la plupart des conditions de fonctionnement-une réduction mineure. Pour les échangeurs à 4-passes, le facteur peut chuter entre 0,90 et 0,95. Pour les applications croisées à haute -température (où les températures d'entrée et de sortie sont très proches), le facteur de correction peut être considérablement inférieur, annulant potentiellement les avantages d'une vitesse plus élevée. Par conséquent, les conceptions multipasses sont plus efficaces lorsque le changement de température côté tube est modéré.
Pertinence pour les échangeurs de chaleur en PTFE
Étant donné que le PTFE a une faible conductivité thermique, la résistance du film côté tube- domine souvent le transfert de chaleur global. L'amélioration du coefficient côté tube-est donc un objectif de conception principal. Les conceptions multi-passes y parviennent sans nécessiter un débit total plus élevé de la pompe de l'usine, ce qui les rend attrayantes pour les rénovations ou les applications où le débit est fixe.
Cependant, les tubes en PTFE sont mécaniquement mous et sujets aux vibrations à des vitesses d'écoulement élevées. Une vitesse excessive peut provoquer un flottement des tubes, entraînant un frottement contre les chicanes ou des dommages à la plaque tubulaire. Les vitesses latérales typiques des tubes-recommandés pour les tubes en PTFE vont de 0,5 à 2,0 m/s (1,6 à 6,6 pieds/s). Une conception multi-passes qui augmente la vitesse de 0,5 m/s à 1,0 m/s est bénéfique ; l'élever à 3,0 m/s peut provoquer des problèmes mécaniques. Le nombre de passes doit être sélectionné pour maintenir la vitesse dans la plage recommandée par le fabricant.
Il est également important d’équilibrer les gains de transfert de chaleur par rapport aux coûts de pompage. Dans de nombreuses opérations de finition de surface, la pompe de traitement existe déjà pour la circulation du réservoir, et la chute de pression supplémentaire provenant d'un échangeur PTFE multi-passe peut être acceptable. Dans d'autres cas, une conception à passage unique avec une coque plus grande (plus de tubes en parallèle) peut atteindre le même objectif avec une perte de charge plus faible, bien qu'à un coût d'investissement plus élevé.
Tableau de comparaison : échangeurs de chaleur en PTFE à passage unique et à passages multiples-
Le tableau ci-dessous compare les caractéristiques de performances typiques pour un débit total fixe-côté tube et une zone de transfert de chaleur fixe. Les valeurs sont illustratives ; les performances réelles dépendent des dimensions spécifiques et des propriétés du fluide.
| Nombre de passages de métro | Vitesse relative du tube* | Tube relatif-Coefficient de transfert de chaleur latéral** | Chute de pression relative (côté tube) | Plage du facteur de correction LMTD | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Pass simple-) | 1,0 (référence) | 1,0 (référence) | 1,0 (référence) | 1,00 (contre-courant pur possible) | Systèmes à faible-chute de pression- ; les gaz; liquides à haut-débit-débit |
| 2 (Deux-Passes) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Le plus courant pour les échangeurs liquides en PTFE ; bon équilibre |
| 4 (Quatre-Passes) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Liquides à haute-viscosité ou lorsqu'une valeur U-très élevée est nécessaire ; vérifier le coût du pompage |
| Passe 6 ou 8 | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Rare; uniquement avec des fluides à faible-viscosité et un ΔP admissible élevé |
* Vitesse par rapport à une conception à-passe unique avec le même nombre de tubes et le même débit.
** Estimé pour un écoulement turbulent ou de transition. L'amélioration réelle dépend de l'exposant du nombre de Reynolds (généralement h ~ v^0,8 pour un écoulement turbulent).
Considérations pratiques pour la finition de surface
Dans les applications de finition de surface (placage, anodisation, décapage), le fluide côté tube-est souvent le bain de traitement lui-même-une solution acide ou alcaline contenant des matières en suspension ou des métaux dissous. Les directives pratiques suivantes s’appliquent :
Conceptions à-passe uniquesont fréquemment utilisés lorsque le bain circule à un débit élevé pour le mélange ou la filtration en cuve. Dans de tels cas, la vitesse peut déjà être suffisante et l’ajout de passes ne ferait qu’augmenter la chute de pression sans gain proportionnel de transfert de chaleur.
Conceptions en deux -passessont la configuration la plus courante pour les échangeurs de chaleur en PTFE dans les lignes de placage-de taille moyenne. Elles augmentent considérablement le transfert de chaleur tout en maintenant la chute de pression dans la capacité des pompes centrifuges standard (généralement une perte de 1 à 3 bars).
Conceptions en quatre-passessont utilisés lorsque la zone de transfert de chaleur disponible est limitée (par exemple, un échangeur modernisé qui doit s'adapter à l'espace existant) et que la pompe a une tête de rechange. Ils sont également utilisés pour chauffer des fluides visqueux comme l’acide phosphorique concentré ou certains bains de procédés organiques.
Il convient de noter que la disposition latérale de la coque-influence également le nombre optimal de passages de tube. Si le fluide côté coque-condense de la vapeur (qui a un coefficient de transfert de chaleur très élevé), la résistance côté tube- domine et les conceptions multi-passes sont très bénéfiques. Si le fluide côté coque-est une eau de refroidissement avec un faible coefficient, l'amélioration du côté tube à elle seule peut ne pas donner lieu à une amélioration globale importante.
Exemple de conception : sélection du nombre de passes
Considérons un échangeur de chaleur en PTFE chauffant un bain de nickelage de 55 degrés à 60 degrés en utilisant de la vapeur côté coque. La puissance calorifique requise est de 100 kW. La pompe de circulation disponible fournit 30 m³/h de fluide de bain à travers l'échangeur. Une conception préliminaire à passage unique-utilisant 200 tubes de 6 mm de diamètre intérieur donne une vitesse côté tube-de 0,5 m/s, une chute de pression de 0,3 bar et un coefficient de transfert thermique global (U) calculé de 200 W/m²·K. La surface requise est de 12 m².
En passant à une conception à 2-passes (100 tubes par passe), la vitesse double pour atteindre 1,0 m/s. Le coefficient côté tube- augmente d'environ 40 %, portant U à 260 W/m²·K. La surface requise tombe à 9,2 m² (un échangeur plus petit et moins coûteux). La chute de pression s'élève à environ 1,2 bar, ce qui reste dans les limites des capacités de la pompe. La conception à 2 passes est clairement supérieure.
Si une conception à 4 passages est considérée (50 tubes par passage), la vitesse atteint 2,0 m/s et U augmente jusqu'à environ 300 W/m²·K. La surface requise tombe à 8 m². Cependant, la chute de pression s'élève jusqu'à environ 5 bars, ce qui peut dépasser la hauteur manométrique de la pompe ou entraîner une consommation d'énergie excessive. Le facteur de correction LMTD tombe à 0,93, réduisant légèrement la force motrice réelle. Dans ce cas, la conception à 2 passes offre le meilleur équilibre.
Conclusion
Le nombre optimal de passages de tubes dans un échangeur de chaleur en PTFE dépend de la chute de pression disponible et de la nécessité d'améliorer le transfert de chaleur au sein des tubes en PTFE à faible -conductivité. Les conceptions à passage unique-minimisent la chute de pression et maintiennent le LMTD à contre-courant complet, ce qui les rend adaptées aux gaz ou aux systèmes à capacité de pompage limitée. Les conceptions à plusieurs-passes (généralement 2-passes ou 4-passes) augmentent la vitesse côté tube, augmentant ainsi le coefficient de transfert de chaleur au prix d'une chute de pression plus élevée et d'une légère réduction du LMTD. Pour la plupart des applications de finition de surfaces liquides, une conception à deux passes constitue un compromis efficace, offrant des gains de performances significatifs sans demandes de pompage excessives.
L'optimisation thermique-hydraulique est un élément standard de la conception des échangeurs de chaleur en PTFE. Le nombre correct de passes est déterminé en équilibrant l'amélioration du transfert de chaleur avec les contraintes de chute de pression, tout en respectant les limites de vitesse du PTFE pour éviter les vibrations du tube. Lorsqu'elle est correctement spécifiée, la disposition de passage sélectionnée garantit que l'échangeur remplit sa fonction de manière fiable et efficace tout au long de sa durée de vie.
