Le gradient thermique qui se développe lors du démarrage
Une installation de traitement chimique démarre un échangeur de chaleur en PTFE en ouvrant la vanne de vapeur et en permettant à la vapeur de s'écouler dans la coque. La vapeur entre à 120 degrés, tandis que l'échangeur thermique et le fluide de procédé sont à 25 degrés. La différence de température à l'entrée de la vapeur est de 95 degrés.
La vapeur chauffe d'abord la coque et la plaque tubulaire à l'extrémité d'entrée. La plaque tubulaire se dilate à mesure qu'elle chauffe, mais les tubes et la plaque tubulaire à l'extrémité de sortie sont encore froids. L'expansion différentielle entre l'extrémité d'entrée chaude et l'extrémité de sortie froide crée un moment de flexion dans le faisceau de tubes et une contrainte de cisaillement au niveau des joints du tube-à-la plaque tubulaire.
Le gradient thermique se développe également à travers l’épaisseur de la paroi du tube. Le côté vapeur de la paroi du tube chauffe plus rapidement que le côté procédé, et la différence de température à travers la paroi crée une contrainte thermique. Pour un tube PTFE avec une paroi de 0,8 mm et une diffusivité thermique de 0,1 mm²/s, le temps nécessaire à la paroi pour atteindre l'équilibre thermique est d'environ 6 secondes. Un démarrage rapide qui modifie la température de la vapeur plus rapidement que ce temps d'équilibre crée un gradient de température à travers la paroi qui ajoute à la contrainte thermique.
Pourquoi le taux de rampe est important
Le taux de rampe détermine l'ampleur des gradients thermiques et la contrainte qui en résulte. Une rampe lente permet à la température de s'égaliser à travers le faisceau de tubes et la paroi du tube, ce qui réduit les gradients et les contraintes. Une rampe rapide crée de grandes pentes et des contraintes élevées.
La contrainte provoquée par une rampe rapide peut dépasser la limite d'élasticité du PTFE, en particulier au niveau des joints de tube-à-plaque tubulaire où la concentration de contraintes est la plus élevée. La contrainte peut également dépasser la limite de fatigue du PTFE, ce qui signifie que des démarrages répétés avec une rampe rapide peuvent provoquer des dommages cumulés et éventuellement une défaillance.
L’effet de rampe est particulièrement important pour le PTFE car le matériau présente une faible conductivité thermique et un coefficient de dilatation thermique élevé. La faible conductivité signifie que la température s'égalise lentement et le coefficient de dilatation élevé signifie qu'une différence de température donnée produit une dilatation importante. Cette combinaison rend le PTFE plus sensible aux chocs thermiques que les matériaux métalliques des échangeurs de chaleur.
Le taux de rampe qui protège les tubes
Le taux de rampe sûr dépend de la plage de température de démarrage et de la conception de l'échangeur thermique. Pour un échangeur de chaleur en PTFE typique avec une paroi de 0,8 mm et une plaque tubulaire fixe, la vitesse de rampe sûre est d'environ 1 à 2 degrés par minute pour un démarrage de la température ambiante à 120 degrés. Pour un échangeur de chaleur doté d'une plaque tubulaire flottante, le taux de rampe de sécurité peut être plus élevé, d'environ 2 à 3 degrés par minute, car la plaque tubulaire flottante s'adapte à la dilatation différentielle.
Le taux de rampe doit être contrôlé par le taux d'ouverture de la vanne de vapeur. Une vanne à ouverture lente-ou un dispositif de dérivation pour le réchauffement-permet au débit de vapeur d'augmenter progressivement, ce qui limite le taux d'augmentation de la température. Une vanne à ouverture rapide- provoque une augmentation rapide de la température et un gradient thermique élevé.
Le taux de rampe doit également être contrôlé pendant la période de refroidissement-. Un refroidissement rapide-, comme lorsque la vanne de vapeur est fermée brusquement ou lorsque de l'eau froide est introduite, crée les mêmes gradients thermiques à l'envers. Le taux de refroidissement en toute sécurité-est généralement le même que le taux de réchauffement en toute sécurité-.
L'effet de l'épaisseur de la paroi du tube
L'épaisseur de la paroi du tube affecte le gradient thermique à travers la paroi lors du démarrage. Une paroi plus mince a une résistance thermique plus faible et un gradient de température plus faible pour un taux de rampe donné. Une paroi plus épaisse présente une résistance thermique plus élevée et un gradient de température plus important.
Pour un mur de 0,5 mm, le gradient thermique à une vitesse de rampe de 2 degrés par minute est d'environ 15 degrés. Pour un mur de 1,0 mm, la pente est d'environ 30 degrés. La paroi plus épaisse présente une contrainte thermique plus élevée et un taux de rampe de sécurité plus faible.
L’effet de l’épaisseur des parois sur le taux de rampe de sécurité est significatif. Un échangeur de chaleur avec une paroi de 0,5 mm peut tolérer une vitesse de rampe environ deux fois supérieure à celle d'un échangeur de chaleur avec une paroi de 1,0 mm.
L'effet de la conception des plaques tubulaires
La conception de la plaque tubulaire affecte la contrainte au niveau des joints entre les tubes-et-la plaque tubulaire lors du démarrage. Une plaque tubulaire fixe contraint l'expansion axiale des tubes, ce qui crée une contrainte de compression dans les tubes et une contrainte de flexion dans la plaque tubulaire. Une plaque tubulaire flottante permet aux tubes de se dilater librement, ce qui réduit les contraintes.
Pour une plaque tubulaire fixe, la vitesse de montée en sécurité est d'environ 1 à 2 degrés par minute. Pour une plaque tubulaire flottante, la vitesse de rampe sûre est d'environ 2 à 3 degrés par minute. La plaque tubulaire flottante est la conception préférée pour les services avec des démarrages fréquents.
Comparaison des taux de rampe pour différentes configurations
Le tableau suivant résume le taux de rampe sûr et la durée de vie attendue pour différentes configurations d'échangeurs de chaleur PTFE en service avec un démarrage de 25 degrés à 120 degrés.
| Configuration | Épaisseur de paroi de tube | Conception de feuilles tubulaires | Taux de rampe de sécurité | Gradient thermique à taux de sécurité | Durée de vie prévue |
|---|---|---|---|---|---|
| Plaque tubulaire fixe standard | 0,8 mm | Fixé | 1,0 degré/min | 20 degrés | 500 à 800 cycles |
| Plaque tubulaire fixe standard | 0,5 mm | Fixé | 1,5 degrés/min | 15 degrés | 800 à 1 200 cycles |
| Feuille tubulaire flottante | 0,8 mm | Flottant | 2,0 degrés/min | 20 degrés | 1 500 à 2 500 cycles |
| Feuille tubulaire flottante | 0,5 mm | Flottant | 3,0 degrés/min | 15 degrés | 2 500 à 4 000 cycles |
| Plaque tubulaire flottante avec joint de dilatation | 0,8 mm | Flottant | 3,0 degrés/min | 20 degrés | 2 000 à 3 500 cycles |
| Plaque tubulaire flottante avec valve à ouverture lente- | 0,8 mm | Flottant | 2,0 degrés/min | 20 degrés | 2 000 à 3 000 cycles |
Les valeurs de cycle de vie attendues supposent un démarrage de la température ambiante à la température de fonctionnement une fois par jour et un refroidissement-à la température ambiante une fois par jour. La durée de vie est plus longue pour les taux de rampe plus lents et pour les conceptions de plaques tubulaires flottantes.
Caractéristiques de conception qui augmentent le taux de rampe de sécurité
Plusieurs caractéristiques de conception augmentent le taux de rampe de sécurité et réduisent le risque de choc thermique.
Plaque tubulaire flottante.Une plaque tubulaire flottante permet aux tubes de se dilater librement, ce qui réduit la contrainte au niveau des joints entre les tubes-et-la plaque tubulaire.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit le gradient thermique et la contrainte thermique.
Joints de dilatation dans la coque.Un joint de dilatation à soufflet dans la coque permet à la coque de se dilater indépendamment des tubes, ce qui réduit la contrainte de dilatation différentielle.
Vanne de vapeur à ouverture lente-.Une vanne à ouverture lente-limite le taux d'augmentation du débit de vapeur et le taux d'augmentation de la température.
Contourner l'échauffement-.Un dispositif de dérivation permet à un petit débit de vapeur de réchauffer progressivement l'échangeur thermique avant l'ouverture de la vanne de vapeur principale.
Surveillance de la température.Des capteurs de température à l'entrée et à la sortie de l'échangeur thermique permettent de surveiller et de contrôler le taux de rampe.
Pratiques opérationnelles qui protègent les tubes
Au-delà des caractéristiques de conception, les pratiques d'exploitation peuvent protéger les tubes des chocs thermiques.
Procédure de démarrage contrôlée.Une procédure de démarrage écrite qui spécifie le taux de rampe et la séquence d'ouverture des vannes garantit que les opérateurs suivent les pratiques de démarrage sûres.
Ouverture progressive de la vanne vapeur.L'ouverture progressive de la vanne de vapeur sur 15 à 30 minutes permet à la température d'augmenter à un rythme contrôlé.
Contournement de l'échauffement-.L'utilisation d'une dérivation de réchauffement-pour introduire un petit débit de vapeur avant l'ouverture de la vanne principale réduit la différence de température initiale.
Contrôle du refroidissement-.Permettre à l'échangeur thermique de refroidir progressivement après l'arrêt, plutôt que de fermer brusquement la vanne de vapeur ou d'introduire de l'eau froide, réduit le gradient thermique.
Comptage des cycles thermiques.Le suivi du nombre de démarrages et du taux de rampe fournit une base pour prédire la durée de vie et planifier la maintenance.
Paramètres de spécification pour la protection contre les chocs thermiques
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour un service avec des démarrages fréquents doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Fréquence de démarrage.Précisez le nombre attendu de startups par jour ou par an.
Plage de température.Spécifiez la plage de température de démarrage et de refroidissement-.
Taux de rampe.Spécifiez le taux de rampe requis en fonction de l'épaisseur de la paroi du tube et de la conception de la plaque tubulaire.
Épaisseur de la paroi du tube.Spécifiez l'épaisseur de la paroi du tube. Une paroi plus fine permet un taux de rampe plus élevé.
Conception de plaques tubulaires.Spécifiez une plaque tubulaire flottante pour un service avec des démarrages fréquents.
Joints de dilatation.Spécifiez si des joints de dilatation sont fournis dans la coque.
Type de vanne à vapeur.Spécifiez une vanne à ouverture lente-ou un dispositif de dérivation pour le réchauffement-.
Surveillance de la température.Spécifiez les capteurs de température et la méthode de surveillance pour suivre le taux de rampe.
Adaptation du taux de rampe à la conception de l'échangeur de chaleur
Le taux de rampe de démarrage détermine les gradients thermiques et les contraintes dans un échangeur de chaleur en PTFE lors du démarrage. Une rampe lente permet à la température de s'égaliser et réduit le stress. Une rampe rapide crée des gradients importants et des contraintes élevées qui peuvent dépasser la résistance du PTFE et provoquer une défaillance prématurée.
Le taux de rampe sûr dépend de l'épaisseur de la paroi du tube et de la conception de la plaque tubulaire. Pour une plaque tubulaire fixe standard avec une paroi de 0,8 mm, la vitesse de rampe sûre est d'environ 1 à 2 degrés par minute. Pour une plaque tubulaire flottante avec une paroi de 0,5 mm, la vitesse de rampe sûre peut être de 3 degrés par minute ou plus.
Pour les installations évaluant les options d'échangeur thermique en PTFE pour un service avec des démarrages fréquents, le taux de rampe doit être spécifié dans les documents d'approvisionnement et vérifié lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut ne pas inclure les caractéristiques de conception permettant un taux de rampe plus élevé, et le choc thermique qui en résulte peut provoquer une défaillance prématurée.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications de l'échangeur thermique en PTFE pour un service avec des démarrages fréquents ou des cycles thermiques élevés peuvent demander une revue de conception couvrant la fréquence de démarrage, la plage de température, la vitesse de rampe, l'épaisseur de la paroi du tube, la conception de la plaque tubulaire et les joints de dilatation pour confirmer que l'unité est adaptée au cycle de fonctionnement réel et aux exigences de choc thermique de l'installation.
