L’impératif de poids en mer
Chaque kilogramme d'équipement installé sur un navire nécessite un support structurel, affecte la stabilité et consomme du carburant pendant des milliers d'heures de navigation. Le poids n'est pas simplement une considération logistique-c'est une contrainte de conception fondamentale qui se répercute sur l'ensemble de la conception du navire.
Les échangeurs de chaleur en cuivre-nickel 90/10 constituent la norme marine depuis des décennies. L'alliage résiste à la corrosion par l'eau de mer, supporte des températures modérées et est disponible auprès de nombreux fabricants. Il est également dense : 8 900 kg/m³. Un échangeur à calandre-et-à tubes de 50 kW pour le chauffage chimique pèse environ 450 à 550 kg à sec, sans compter le cadre de support structurel.
Un échangeur de chaleur à immersion en PTFE pour le même service de 50 kW pèse environ 45-55 kg. Le rapport pondéral est d'environ 10:1. Cette différence a des implications au-delà des spécifications d'achat de l'équipement : elle affecte la logistique d'installation, la conception structurelle et les performances du navire.
L’effet cascade de poids
Le poids d'un échangeur de chaleur en cuivre-nickel entraîne un poids supplémentaire dans la structure de support. Un échangeur de 500 kg nécessite un cadre en acier de construction conçu pour supporter la charge statique ainsi que les charges dynamiques dues au mouvement du navire -tangage, roulis et vibrations. Le cadre lui-même pèse entre 150 et 250 kg. Le poids total installé approche les 700 à 800 kg.
Si l'emplacement d'installation n'est pas conçu pour cette charge concentrée, la structure du pont doit être renforcée. L'acier d'armature ajoute plus de poids. Le poids supplémentaire doit être compensé ailleurs dans la conception du navire-sinon il réduit la capacité de charge utile.
Un échangeur PTFE de 50 kg nécessite un support minimal. Un cadre léger en PVDF ou FRP pesant 5 à 10 kg fixe l'échangeur au bord du réservoir ou à la structure adjacente. Le poids total installé de 55 à 65 kg peut être supporté par la structure du réservoir existante sans renfort. L’effet cascade de poids est éliminé.
Tableau 1 : Comparaison de poids pour un service de chauffage chimique à bord d'un navire de 50 kW
| Paramètre de poids | Cuivre-Coque en nickel 90/10-et-Tube | Bobine d'immersion en PTFE |
|---|---|---|
| Poids sec de l'échangeur de chaleur (kg) | 450-550 | 45-55 |
| Densité du matériau (kg/m³) | 8,900 | 2,200 |
| Poids du cadre de support structurel (kg) | 150-250 | 5-10 |
| Poids total installé (kg) | 600-800 | 50-65 |
| Puissance calorifique (kW) | 50 | 50 |
| Rapport poids-/-chaleur (kg/kW) | 12-16 | 1.0-1.3 |
| Renforcement du pont requis | Souvent oui | Non |
| Installation d'équipement de levage | Grue ou bossoir | Manuel (2 personnes) |
| Effet sur la stabilité du navire | Mesurable | Négligeable |
L'avantage de l'espace et de l'accès
Au-delà du poids, l'échangeur cuivre-nickel occupe un espace sur le pont-généralement 1,5-2,5 m², qui doit être alloué, râpé et doté d'autorisations d'accès pour la maintenance. Sur un pont d'équipement exigu à bord d'un navire, cet espace rivalise avec d'autres systèmes essentiels.
L'échangeur PTFE est installé à l'intérieur du stockage de produits chimiques ou du réservoir journalier. Il n'occupe aucun espace sur le pont. Le volume du réservoir déplacé est modeste-généralement de 20 à 40 litres pour le faisceau de tubes. L'accès pour la maintenance se fait par le trou d'homme du réservoir ou par l'ouverture supérieure, et non par l'espace dédié sur le pont.
Pour les applications à bord des navires où la densité des équipements est élevée et où l'espace sur le pont est limité, l'installation du PTFE dans le réservoir permet de récupérer une empreinte précieuse pour d'autres utilisations.
Le bonus gratuit sur la corrosion-
Le cuivre-nickel 90/10 résiste à l'eau de mer grâce à la formation d'un film protecteur d'oxyde cuivreux. Ce film nécessite une exposition à de l'eau de mer propre et oxygénée pour rester stable. En conditions stagnantes, sous des dépôts ou dans des eaux portuaires polluées contenant des sulfures, le film se décompose. Des piqûres et une corrosion caverneuse s'ensuivent. Les échangeurs de chaleur à bord des navires subissent toutes ces conditions pendant le cycle de fonctionnement d'un navire.
L'atmosphère marine-les brouillards salins, l'humidité élevée, le lavage occasionnel du pont à l'eau de mer-attaquent le cuivre-le nickel de l'extérieur tandis que le fluide chimique attaque de l'intérieur. La corrosion à double environnement-limite la durée de vie à 8 à 12 ans dans le service naval typique.
Le PTFE est inerte à l’eau de mer, aux brouillards salins et à toute la gamme de produits chimiques embarqués. Il n'y a pas de corrosion interne ou externe. La durée de vie dépasse 20 ans en service maritime. L'avantage de poids est préservé pendant toute la durée de vie du navire sans dégradation.
Résumé
Le rapport poids-à-transfert de chaleur-des échangeurs de chaleur en PTFE est environ 10 fois plus favorable que celui en cuivre-nickel 90/10 pour le chauffage chimique à bord des navires : 1,0 à 1,3 kg/kW contre 12 à 16 kg/kW de poids total installé. Les économies de poids se traduisent par des exigences réduites en matière de support structurel, une logistique d'installation simplifiée et un impact négligeable sur la stabilité du navire.
L'immunité à la corrosion du PTFE dans l'environnement marin préserve cet avantage de poids pendant des décennies sans la détérioration progressive que subit le cuivre-nickel. Pour les applications à bord de navires critiques en termes de poids dans les limites de température du PTFE, le PTFE est le choix le plus léger-avec une durée de vie plus longue-.
L'analyse technique des spécifications de l'échangeur de chaleur en PTFE à bord des navires est disponible sur présentation de la composition chimique du fluide, de la fonction de chauffage, des dimensions du réservoir disponible, ainsi que du poids et des contraintes d'espace du navire.
