La table Steam qui définit la limite
Une usine chimique nécessitant 150 kW de chaleur à une température de processus de 160 degrés a accès à de la vapeur à 12 bars, ce qui fournit une température saturée de 191 degrés. L'échangeur de chaleur métallique spécifié pour cette tâche est une unité à calandre-et-tube avec une paroi tubulaire en acier inoxydable de 6 mm. L'alternative PTFE doit être évaluée par rapport au même devoir.
À 12 bars et 191 degrés, la pression de vapeur saturée se situe bien dans la plage des échangeurs de chaleur métalliques. Pour le PTFE, la première contrainte est la pression maximale de fonctionnement. Les échangeurs de chaleur en PTFE standard sont conçus pour 0,5 à 1,0 MPa (5 à 10 bars) à température modérée, mais la pression nominale diminue à mesure que la température augmente. À 190 degrés, la pression de service admissible pour un tube en PTFE typique peut être comprise entre 0,3 et 0,5 MPa, ce qui est inférieur à la pression de vapeur requise.
La deuxième contrainte est la résistance dépendante de la température-. Le PTFE conserve environ 50 % de sa résistance à la traction à température ambiante à 190 degrés et le taux de fluage augmente considérablement. La paroi du tube doit être plus épaisse pour résister à la pression à température élevée, ce qui augmente la résistance thermique et réduit le coefficient de transfert de chaleur.
La troisième contrainte est la contrainte interne qui se développe lorsque la paroi du tube est chauffée par la vapeur. Le côté vapeur du tube est à 191 degrés et le côté processus est à 160 degrés, ce qui crée une différence de température de 31 degrés à travers la paroi. Dans un matériau à faible -conductivité, cette différence de température produit une contrainte thermique importante qui s'ajoute à la contrainte de pression.
La limite de confinement de pression
Le confinement de la pression est la limitation la plus fondamentale. La contrainte circonférentielle dans un tube à paroi mince-sous pression interne est proportionnelle à la pression et au diamètre du tube et inversement proportionnelle à l'épaisseur de la paroi. Pour un tube en PTFE d'un diamètre extérieur de 6 mm et d'une paroi de 1,0 mm, la contrainte circonférentielle à une pression interne de 10 bars est d'environ 30 MPa. La résistance à la traction du PTFE à 190 degrés est d'environ 10 à 12 MPa, ce qui signifie que le tube ne peut pas contenir la pression avec un facteur de sécurité adéquat.
L'augmentation de l'épaisseur de la paroi réduit la contrainte du cerceau mais augmente la résistance thermique. Une paroi de 2,0 mm réduit la contrainte circulaire à 15 MPa, ce qui est dans la limite de résistance, mais la résistance thermique double et le coefficient de transfert thermique diminue. L'échangeur de chaleur doit être plus grand pour compenser, ce qui augmente le coût d'investissement et l'encombrement.
L'alternative est de réduire le diamètre du tube. Un tube de 3 mm de diamètre extérieur avec une paroi de 1,0 mm présente une contrainte circonférentielle de 15 MPa à 10 bar, ce qui est dans la limite de résistance. Le tube de plus petit diamètre a une surface par unité de volume plus élevée, ce qui compense en partie le coefficient de transfert thermique plus faible.
La limite de résistance-dépendante de la température
La résistance à la traction du PTFE diminue avec la température. À 20 degrés, la résistance à la traction est d'environ 25 à 30 MPa. À 100 degrés, elle est d'environ 15 à 18 MPa. À 190 degrés, elle est d'environ 10 à 12 MPa. À 250 degrés, elle est d'environ 5 à 6 MPa.
La résistance décroissante limite la contrainte admissible et la pression admissible. Un échangeur de chaleur évalué à 10 bars à 100 degrés peut être évalué à seulement 4 à 5 bars à 190 degrés. Le facteur de déclassement est généralement de 0,5 à 0,6 à 190 degrés par rapport à la température nominale de la pièce.
Le déclassement n'est pas une fonction linéaire de la température. La résistance diminue lentement jusqu'à 150 degrés et plus rapidement au-dessus de 200 degrés. La limite pratique pour le service de vapeur à haute-pression est d'environ 150 à 180 degrés, au-dessus de laquelle la pression nominale devient trop basse pour la plupart des systèmes à vapeur industriels.
La limite de fluage
Le fluage est la déformation lente d'un matériau soumis à une charge soutenue. Le PTFE flue à température ambiante et le taux de fluage augmente avec la température. À 190 degrés, le taux de fluage peut être 10 à 20 fois plus élevé qu'à 20 degrés.
Dans un échangeur de chaleur, le fluage se manifeste par une lente augmentation du diamètre du tube et une lente diminution de l’épaisseur de la paroi. Le tube se dilate sous la pression interne et la paroi s'amincit. Au fil du temps, le tube peut se rompre ou le joint tube-à-plaque tubulaire peut fuir.
La limite de fluage est généralement exprimée comme la contrainte maximale qui produit moins de 1 % de déformation en 10 000 heures. Pour le PTFE à 190 degrés, cette contrainte est d'environ 3 à 4 MPa, ce qui est bien inférieur à la résistance à la traction. La limite de fluage, et non la résistance à la traction, est le paramètre déterminant pour un service à long terme-.
La limite de contrainte thermique
La contrainte thermique dans la paroi du tube est proportionnelle à la différence de température à travers la paroi, au coefficient de dilatation thermique et au module d'élasticité. Pour le PTFE, le coefficient de dilatation thermique est d'environ 12 × 10⁻⁵ / degré et le module à 190 degrés est d'environ 200 MPa.
Pour une différence de température de 31 degrés à travers le mur, la contrainte thermique est d'environ 7,4 MPa. Cette contrainte s'ajoute à la contrainte de pression et réduit la pression admissible. Dans une application de vapeur à haute-pression, la contrainte thermique peut représenter une fraction importante de la contrainte totale et doit être incluse dans le calcul de conception.
La contrainte thermique peut être réduite en réduisant la différence de température à travers le mur, ce qui signifie réduire le flux thermique. Un flux thermique plus faible nécessite une plus grande surface, ce qui augmente le coût en capital.
Comparaison des unités PTFE et métalliques dans un service de vapeur à haute-pression
Le tableau suivant résume les performances et les caractéristiques de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et en acier inoxydable en service de vapeur haute-pression à 12 bars et 191 degrés.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en acier inoxydable | Échangeur de chaleur en PTFE | Avantage |
|---|---|---|---|
| Pression de fonctionnement maximale à 191 degrés | 25 barres | 4 à 5 barres | Acier inoxydable |
| Température de fonctionnement maximale | 400 degrés | 260 degrés | Acier inoxydable |
| Résistance à la traction à 191 degrés | 140 MPa | 10 à 12 MPa | Acier inoxydable |
| Limite de fluage à 191 degrés | Sans objet | 3 à 4 MPa | Acier inoxydable |
| Conductivité thermique | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Acier inoxydable |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Acier inoxydable |
| Surface nécessaire pour 150 kW | 5 m² | 20 m² | Acier inoxydable |
| Contrainte thermique à 31 degrés ΔT | 15 MPa | 7,4 MPa | PTFE |
| Résistance chimique aux condensats de vapeur | Bien | Excellent | PTFE |
| Durée de vie en service vapeur | 20 à 30 ans | 8 à 12 ans | Acier inoxydable |
| Coût d'investissement pour un droit de 150 kW | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Coût d'installation | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Coût d'entretien annuel | $1,500 | $3,000 | Acier inoxydable |
| Coût total sur cinq -ans | $82,500 | $90,000 | Acier inoxydable |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 500 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans.
Quand le PTFE reste le meilleur choix
Malgré ses limitations mécaniques, le PTFE reste le meilleur choix dans plusieurs applications de vapeur à haute-pression.
Service de condensats corrosifs.Si le condensat de vapeur contient des espèces corrosives telles que des chlorures ou des fluorures, le boîtier en acier inoxydable peut se corroder, tandis que le boîtier en PTFE est résistant.
Service de vapeur à basse-pression.À des pressions de vapeur inférieures à 5 bars et à des températures inférieures à 150 degrés, les limitations mécaniques du PTFE sont moins sévères et l'unité PTFE peut être compétitive.
Service de haute-pureté.Si le fluide de procédé est sensible à la contamination par les ions métalliques, l'unité PTFE est le meilleur choix car elle ne lessive pas les ions métalliques.
Service de petite charge thermique.Pour les faibles charges thermiques, la plus grande surface de l’unité PTFE constitue moins une contrainte, et le coût d’investissement inférieur peut favoriser le PTFE.
Service de rénovation.Si l'échangeur de chaleur existant est une unité en PTFE et que la pression de la vapeur est augmentée, l'unité en PTFE peut toujours être adéquate si la pression est dans la limite de déclassement.
Modifications de conception qui étendent la limite de pression du PTFE
Plusieurs modifications de conception étendent la limite de pression des échangeurs de chaleur en PTFE dans un service de vapeur à haute-pression.
Diamètre de tube plus petit.Un tube de plus petit diamètre a une contrainte circonférentielle plus faible pour la même pression et la même épaisseur de paroi. Un tube de 3 mm peut résister à une pression plus élevée qu'un tube de 6 mm avec la même épaisseur de paroi.
Paroi de tube plus épaisse.Une paroi plus épaisse réduit la contrainte du cerceau mais augmente la résistance thermique. L'épaisseur de la paroi doit être optimisée pour les exigences spécifiques de pression et de transfert de chaleur.
Construction en tubes renforcés.Un tube PTFE avec un renfort métallique ou composite peut résister à une pression plus élevée qu'un tube non renforcé. Le renfort peut être une tresse métallique, une enveloppe en spirale ou une couche composite.
Température de fonctionnement réduite.L'abaissement de la température de la vapeur réduit le stress thermique et augmente la résistance du matériau. Une pression de vapeur plus faible ou un désurchauffeur peuvent réduire la température.
Flux de chaleur réduit.Un flux thermique plus faible réduit la différence de température à travers le mur et la contrainte thermique. Une plus grande surface est nécessaire, ce qui augmente le coût en capital.
Plaque tubulaire flottante.Une plaque tubulaire flottante réduit la contrainte axiale sur les tubes et la plaque tubulaire, ce qui améliore le confinement de la pression.
Paramètres de spécification pour le service de vapeur à haute pression-
Les ingénieurs d'équipement évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE pour un service de vapeur à haute pression-doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Pression et température de la vapeur.Précisez la pression maximale de la vapeur et la température saturée.
Température du processus.Spécifiez la température du fluide de procédé et la température d'approche.
Diamètre du tube et épaisseur de paroi.Spécifiez le diamètre du tube et l’épaisseur de paroi en fonction des exigences de pression et de transfert de chaleur.
Pression nominale.Spécifiez la pression nominale à la température de fonctionnement et non à température ambiante.
Limite de fluage.Spécifiez la limite de fluage et la contrainte maximale autorisée pour un service à long terme-.
Stress thermique.Spécifiez le calcul de la contrainte thermique et la contrainte admissible.
Renforcement.Précisez si le tube est renforcé et le type de renfort.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Faire correspondre la conception du PTFE aux conditions de la vapeur
Les limites des échangeurs de chaleur en PTFE dans le service de vapeur à haute-pression sont le confinement de la pression, la résistance dépendante de la température-, le fluage et la contrainte thermique. Ces limitations peuvent être gérées par des modifications de conception telles qu'un diamètre de tube plus petit, une paroi plus épaisse, un renforcement et un flux thermique réduit. La limite pratique pour le PTFE dans un service de vapeur à haute-pression est d'environ 5 bars à 190 degrés, au-dessus de laquelle la conception devient peu pratique ou le coût d'investissement devient prohibitif.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre les conditions de vapeur, les exigences du processus, le coût d'investissement et le coût de maintenance. Un simple modèle de feuille de calcul avec ces paramètres fournit les informations nécessaires pour prendre la décision.
Pour les-installations de service de vapeur à haute pression évaluant les options d'échangeur de chaleur, le choix des matériaux doit être basé sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et pas seulement sur le coût d'investissement ou les performances thermiques. Une unité métallique avec un coût d'investissement plus élevé peut avoir un coût de vie inférieur si elle peut gérer les conditions de vapeur sans déclassement.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour la vapeur haute-pression ou tout autre service exigeant peuvent demander une révision de la conception couvrant la pression de la vapeur, la température de la vapeur, le diamètre du tube, l'épaisseur de la paroi, la pression nominale, la limite de fluage et la contrainte thermique pour confirmer que l'unité est adaptée aux conditions réelles de vapeur et aux exigences du processus de l'installation.
