Une usine chimique a perdu un thermoplongeur en PTFE de 6 kW lorsque la turbine d'une pompe de recirculation s'est érodée et que le débit a chuté d'environ 60 %. La température du fluide global est restée à moins de 3 degrés du point de consigne. Le contrôleur n'a vu aucun problème. Mais la température de la surface du radiateur avait dépassé le point où le fluide à la surface commençait à se vaporiser. Une couverture de vapeur s'est formée, le transfert de chaleur s'est effondré et le PTFE s'est cloqué et fissuré en quelques heures.
La couverture de vapeur est le mode de défaillance le plus brutal pour un thermoplongeur en PTFE. Contrairement à la perméation ou à la fatigue, qui se développent au fil des mois, la couverture peut détruire un appareil de chauffage en un seul passage. Le déclencheur est presque toujours une baisse de la vitesse d'écoulement à la surface du réchauffeur - la condition qui détermine si la chaleur peut quitter le réchauffeur suffisamment rapidement pour rester en dessous du point d'ébullition du fluide.
Pourquoi la couverture de vapeur se produit avant l'ébullition en vrac
L’ébullition massive se produit lorsque tout le fluide atteint son point d’ébullition. Une couverture de vapeur se produit à la surface du réchauffeur tandis que le fluide en vrac reste bien en dessous de l'ébullition. Le mécanisme est simple : la température de la surface du réchauffeur est toujours supérieure à la température du fluide en vrac. Si la différence est suffisamment grande, le fluide en contact avec le réchauffeur atteint son point d’ébullition alors que le fluide environnant ne le fait pas.
Pour l’eau à 80 degrés, le point d’ébullition est de 100 degrés à pression atmosphérique. Un appareil de chauffage fonctionnant à 25 degrés au-dessus de la masse se trouve à 105 degrés - au-dessus du point d'ébullition local. Des bulles de vapeur se forment à la surface du radiateur. Si le débit est suffisant, les bulles se détachent et s'effondrent dans le fluide en vrac plus froid. Si le débit est faible, les bulles fusionnent pour former une couverture de vapeur qui isole le radiateur.
Une fois la couverture formée, le transfert de chaleur s’effondre. La température de la surface du réchauffeur atteint, souvent en quelques secondes, la plage de dégradation du PTFE. Le polymère se ramollit, se boursoufle et se fissure. L'échec est irréversible.
| Vitesse d'écoulement au niveau du réchauffeur | Chauffage ΔT à 1,2 W/cm² | Température du chauffage à 80 degrés | Risque de couverture de vapeur | Vitesse minimale de sécurité |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6 à 10 degrés | 86–90 degrés | Aucun | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10-15 degrés | 90-95 degrés | Faible | Adéquat |
| 0.15–0.3 m/s | 15-22 degrés | 95-102 degrés | Modéré | Marginal |
| 0.05–0.15 m/s | 22-35 degrés | 102-115 degrés | Haut | En dessous du minimum |
| <0.05 m/s | 35 à 50 degrés | 115-130 degrés | Très élevé | Dangereux |
Vitesse d'écoulement et risque de couverture de vapeur pour les thermoplongeurs en PTFE dans les bains aqueux à 80 degrés
Le seuil de vitesse minimale
La vitesse d'écoulement minimale requise pour empêcher l'accumulation de vapeur dépend du fluide, de la densité en watts et de la température globale. Pour les bains à base d'eau-à une température de 60 à 80 degrés et des densités en watts de 1,0 à 1,5 W/cm², une vitesse de surface du radiateur d'au moins 0,15 m/s est généralement suffisante pour détacher les bulles de vapeur avant qu'elles ne fusionnent.
En dessous de 0,15 m/s, la marge se rétrécit rapidement. À 0,1 m/s, l'écart entre le radiateur- et- peut dépasser 25 degrés, poussant la température de surface du radiateur au-delà du point d'ébullition local dans les bains au-dessus de 70 degrés. À 0,05 m/s-efficacement stagnant-, l'écart peut dépasser 40 degrés et la couverture de vapeur commence dans les bains au-dessus de 60 degrés.
Pour les fluides visqueux, la vitesse minimale est plus élevée. Un fluide ayant une viscosité trois fois supérieure à celle de l’eau nécessite environ 1,5 fois la vitesse pour atteindre la même épaisseur de couche limite. Pour le sulfamate de nickel à 55 degrés, la vitesse minimale pour un fonctionnement sûr à 1,2 W/cm² est d'environ 0,25 m/s.
| Type de fluide | Viscosité à température de fonctionnement | Vitesse minimale à 1,0 W/cm² | Vitesse minimale à 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Eau | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Acide dilué | 0,7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| Watts nickel | 2,0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Sulfamate de nickel | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Nickel chimique | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Vitesses d'écoulement minimales pour empêcher la formation de vapeur dans les installations de thermoplongeurs en PTFE
Pourquoi les mesures de débit des réservoirs -induisent-elles en erreur ?
La vitesse d'écoulement à la surface du réchauffeur est presque toujours inférieure à la vitesse moyenne du réservoir-. Les tuyaux de distribution et les éjecteurs sont positionnés pour déplacer le fluide autour des pièces à usiner, et non autour des éléments chauffants. Le radiateur se trouve souvent dans un coin, derrière un guide de rack ou sur un mur opposé à l'entrée où la vitesse locale est une fraction de la moyenne globale.
Les mesures sur le terrain dans les réservoirs de placage montrent systématiquement des vitesses de niveau de chauffage-30 à 70 % inférieures à la moyenne du réservoir. Dans les zones mortes, la réduction peut atteindre 80 à 90 %. Un réservoir avec une vitesse nominale de 0,3 m/s peut avoir seulement 0,05 à 0,1 m/s à la surface du réchauffeur.
C'est pourquoi les mesures de débit au niveau du réservoir ne peuvent pas être utilisées pour vérifier le fonctionnement sûr du réchauffeur. La mesure doit être prise à l'emplacement du radiateur, ou le radiateur doit être positionné dans une zone connue à haut débit-avec une marge adéquate.
Mesures pratiques pour maintenir une vitesse sûre
Placez le réchauffeur dans le chemin d'écoulement principal. La vitesse la plus élevée et le débit le plus uniforme se produisent au centre du réservoir ou directement en ligne avec l'entrée de circulation. Évitez les coins, derrière les déflecteurs et à proximité du déversoir.
Utilisez un éjecteur dédié ou un tuyau de barbotage dirigé vers le réchauffeur. Une petite buse d'éjection positionnée à 150-250 mm du radiateur et dirigée le long de la surface du radiateur augmente la vitesse locale à 0,3-0,5 m/s. Il s’agit de la méthode la plus fiable pour maintenir une vitesse sûre au niveau du réchauffeur.
Installez un fluxostat ou un capteur de pression différentielle pour détecter la perte de circulation. Un interrupteur de débit dans la conduite de refoulement de la pompe coupe l'alimentation du réchauffeur si le débit descend en dessous du seuil de sécurité. L'interrupteur doit être indépendant du système de commande principal et doit nécessiter une réinitialisation manuelle.
Réduisez la densité en watts dans les zones à faible débit. Si le réchauffeur doit fonctionner dans un endroit où le débit ne peut pas être maintenu au-dessus de 0,15 m/s, la densité en watts doit être réduite pour maintenir la température de surface du réchauffeur en dessous du point d'ébullition local. Dans les zones stagnantes, la densité de puissance sûre est de 0,6 à 0,8 W/cm².
Lorsque les radiateurs standard ne peuvent pas maintenir une vitesse sûre
Les réservoirs dotés d'un agencement interne complexe et d'une circulation limitée ne peuvent souvent pas fournir la vitesse d'écoulement qu'exige un fonctionnement sûr du réchauffeur. Un appareil de chauffage qui fonctionne bien dans le volume principal du réservoir peut manquer de débit dans un coin ou derrière un luminaire.
Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec une position optimisée en termes de débit, un éjecteur dédié et une densité en watts inférieure s'attaque à la cause première du manque de débit. Le processus de spécification nécessite les dimensions du réservoir, la disposition de la circulation, la position du réchauffeur, la chimie du bain et la puissance requise. Pour les installations comportant plusieurs réservoirs, cette approche spécifique à l'application-réduit le risque d'accumulation de vapeur et prolonge la durée de vie du réchauffeur.
