L'hypothèse de la qualité de la vapeur
La plupart des spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE incluent la pression et la température de la vapeur. Rares sont ceux qui incluent les paramètres de qualité de la vapeur -fraction de siccité, surchauffe,-teneur en gaz non condensables et pureté chimique. L’hypothèse est que la vapeur standard de l’usine est adéquate. Cette hypothèse est souvent incorrecte.
La vapeur de l'usine transporte des traces de produits chimiques de chaudière, des solides dissous provenant du transfert et des quantités variables d'eau entraînée. Pour les échangeurs de chaleur métalliques, ces contaminants affectent principalement le côté vapeur à travers des processus lents de tartre et de corrosion-gérés par le traitement de l'eau de chaudière. Pour les échangeurs de chaleur en PTFE, les effets diffèrent car le matériau ne se corrode pas et ne s'entartre pas.
Cependant, certains défauts de qualité de la vapeur peuvent endommager les échangeurs en PTFE par des mécanismes étrangers à la corrosion. La vapeur surchauffée peut dépasser la température de service continu des matériaux de support. Les solides de chaudière entraînés peuvent éroder les surfaces en PTFE à des vitesses élevées. Les gaz non-condensables peuvent recouvrir les surfaces de transfert de chaleur. La spécification et la vérification de la qualité de la vapeur évitent ces problèmes évitables.
Fraction de sécheresse : le paramètre critique
La fraction sèche de vapeur est le pourcentage massique de vapeur dans le mélange vapeur-eau. La vapeur saturée à 100 % de siccité ne contient aucune gouttelette d’eau entraînée. La vapeur de l'usine arrive généralement à une siccité de 95 à 98 %, transportant 2 à 5 % d'eau entraînée en masse.
Pour les échangeurs de chaleur en PTFE, une faible fraction sèche crée deux problèmes. Les gouttelettes d'eau entraînées à la pression de la chaudière transportent des solides dissous -sodium, silice, phosphates- qui se déposent à l'intérieur des tubes PTFE à mesure que l'eau s'évapore. Ces dépôts ne sont pas corrosifs pour le PTFE, mais ils isolent la paroi du tube et réduisent le transfert de chaleur. Au fil des mois, les solides accumulés peuvent obstruer partiellement les alésages des tubes.
Plus important encore, l'eau entraînée à grande vitesse provoque l'érosion de la surface du PTFE. Les gouttelettes d'eau frappant la paroi du tube à des vitesses de vapeur de 20 à 30 m/s créent une rugosité localisée de la surface. L'effet est mineur à court terme mais cumulatif au fil des années de service.
Une fraction de siccité de 98 % ou plus est recommandée pour les échangeurs de chaleur en PTFE en service continu. Ceci est obtenu grâce à une séparation appropriée de la vapeur dans la chaudière et à des conduites de vapeur de taille adéquate avec un drainage approprié.
Tableau 1 : Spécifications de qualité de la vapeur pour le service d'échangeur de chaleur en PTFE
| Paramètre de qualité de la vapeur | Limite recommandée | Conséquence du dépassement de la limite | Méthode de mesure |
|---|---|---|---|
| Fraction de siccité | Supérieur ou égal à 98 % | Dépôt de solides ; érosion aux entrées des tubes | Calorimètre à étranglement |
| Surchauffe (au-dessus de la saturation) | Inférieur ou égal à 10 degrés | Dépasse la classification des matériaux de support ; risque de dégradation thermique pour les composants en PVDF | Sonde de température en amont de l'échangeur |
| Gaz non-condensables (CO₂, O₂, N₂) | Inférieur ou égal à 0,5% en volume | Couverture de transfert de chaleur ; surface effective réduite | Solubilité des gaz ou analyse Orsat |
| Total des matières dissoutes dans le condensat | Inférieur ou égal à 10 ppm | Encrassement du tube interne ; valeur U réduite - | Conductimètre sur échantillon de condensat |
| Récupération chimique du traitement des chaudières | Amines Inférieur ou égal à 1 ppm ; désoxygénants Inférieur ou égal à 0,5 ppm | Risque de perméation si les fluides côté tube-côté coque-doivent rester séparés | Analyse d'ions spécifiques |
| Particules (calcaire, rouille) | Taille de particule inférieure ou égale à 100 μm | Obstruction de l’entrée du tube ; érosion dans les virages | Inspection du filtre en ligne- |
Limites de surchauffe
La vapeur surchauffée est de la vapeur chauffée au-dessus de sa température de saturation à une pression donnée. Une légère surchauffe de 5 à 10 degrés est courante dans les usines où la vapeur parcourt de longues distances depuis la chaudière. Des niveaux de surchauffe plus élevés se produisent lorsque les chaudières fonctionnent avec des surchauffeurs.
Le problème des échangeurs de chaleur en PTFE n'est pas le tube en PTFE lui-même, qui tolère 260 degrés. Le souci, c'est le système de soutien. Les plaques de support en PVDF ont une limite de service continu de 150 degrés. Si de la vapeur surchauffée à 180-200 degrés pénètre dans l'échangeur, la section collectrice non immergée et les premières plaques de support voient des températures supérieures à leur valeur nominale.
La surchauffe supérieure à 10 degrés doit être éliminée par un désurchauffeur-un système d'injection d'eau qui réduit la température de la vapeur jusqu'à saturation-avant que la vapeur n'entre dans l'échangeur PTFE. Alternativement, des matériaux de support conçus pour la température de surchauffe maximale possible doivent être spécifiés.
Gaz non-condensables
L'air et le dioxyde de carbone pénètrent dans les systèmes à vapeur lors du démarrage de la chaudière, via les casse-vide et lors de la décomposition des produits chimiques de traitement de la chaudière. Ces gaz non-condensables ne se condensent pas avec la vapeur. Ils s’accumulent dans l’échangeur thermique, formant une couverture de gaz stagnante du côté vapeur de la paroi du tube.
La couverture de gaz est un isolant efficace. Le transfert de chaleur à travers la couche de gaz se fait uniquement par conduction, sans apport de chaleur latente. Une concentration de gaz de seulement 1 % en volume peut réduire le coefficient de transfert thermique effectif de 10 à 15 % dans la zone affectée.
Une sélection appropriée de purgeur de vapeur avec une -capacité de ventilation intégrée-des bouches d'aération thermostatiques ou un flotteur-et-pièges thermostatiques-élimine en continu les gaz non-condensables de l'échangeur. Le système de vapeur doit inclure des bouches d'aération à tous les points élevés où les gaz peuvent s'accumuler.
Résumé
Les performances fiables de l’échangeur thermique en PTFE nécessitent des paramètres de qualité de vapeur au-delà de la pression et de la température. Une fraction de siccité minimale de 98 % empêche le dépôt de solides et l'érosion. La surchauffe doit être limitée à 10 degrés au-dessus de la saturation pour protéger les matériaux de support. La teneur en gaz non-condensables doit être maintenue en dessous de 0,5 % grâce à une ventilation d'air appropriée et à la sélection d'un purgeur de vapeur.
Ces spécifications, lorsqu'elles sont incluses dans l'achat de l'échangeur et la conception du système de vapeur, garantissent que l'échangeur de chaleur en PTFE offre ses performances thermiques de conception tout au long de sa durée de vie, sans encrassement côté vapeur ni dégradation des matériaux de support.
Les recommandations techniques pour l'amélioration de la qualité de la vapeur dans les installations d'échangeurs de chaleur en PTFE existantes sont disponibles sur présentation des mesures actuelles de la qualité de la vapeur, des données de performances de l'échangeur et de tout encrassement interne ou dégradation du support observé.
