Le dilemme du dédouanement
Un tube en PTFE dans un serpentin d'immersion chauffé à la vapeur-se dilate d'environ 1,6 mm par mètre de longueur lorsqu'il est chauffé de 25 degrés à 140 degrés. Si le tube est fortement contraint dans un trou de la plaque support, cette expansion est bloquée. Le tube se déforme entre les supports. Si le trou est trop lâche, le tube vibre sous l'action des vibrations induites par l'agitation - et le frottement qui en résulte s'use à travers la paroi du tube au point de contact du support.
Le diamètre du trou de la plaque de support par rapport au diamètre extérieur du tube est un paramètre de conception d'une simplicité trompeuse avec des conséquences mécaniques complexes. Trop serré, les contraintes thermiques s'accumulent. Trop lâche et l'usure vibratoire s'accélère. Le jeu optimal permet une dilatation thermique sans entrave tout en limitant l'amplitude du mouvement induit par les vibrations-.
Pour les échangeurs de chaleur en PTFE, le jeu optimal diffère des valeurs standards utilisées pour les échangeurs métalliques car le PTFE a un coefficient de dilatation thermique plus élevé et un module d'élasticité plus faible. Ce qui fonctionne pour l’acier inoxydable ou le titane ne fonctionne pas pour les polymères fluorés.
L'exigence de jeu de dilatation thermique
Le diamètre minimum du trou doit dépasser le diamètre extérieur du tube à la température de fonctionnement maximale. Le tube se dilate radialement et axialement lorsqu'il est chauffé.
L'expansion radiale d'un tube PTFE de 10 mm de diamètre extérieur chauffé de 25 degrés à 140 degrés est d'environ 0,14 mm. Le diamètre du trou doit être au moins égal au diamètre extérieur du tube chaud plus un jeu de glissement pour éviter tout grippage.
Le jeu de glissement tient compte des tolérances de fabrication sur le diamètre extérieur du tube et le diamètre intérieur du trou, ainsi que de tout désalignement entre les plaques de support. Pour le PTFE, une tolérance supplémentaire concerne le coefficient de dilatation thermique plus élevé du matériau par rapport au matériau de la plaque de support. Si la plaque support est également en PTFE, le trou se dilate au même rythme que le tube, et le jeu reste constant. Si la plaque de support est en PVDF ou en métal avec un coefficient de dilatation différent, le jeu change avec la température.
Tableau 1 : Dégagements recommandés pour les trous de la plaque de support pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE
| Diamètre extérieur du tube (mm) | Matériau de la plaque de support | Diamètre de trou recommandé (mm) | Jeu diamétral (mm) | Dégagement en % du diamètre extérieur du tube | Notes d'application |
|---|---|---|---|---|---|
| 8 | PTFE | 8.8-9.0 | 0.8-1.0 | 10-12.5% | Standard pour bains immobiles ou légèrement agités |
| 10 | PTFE | 10.8-11.0 | 0.8-1.0 | 8-10% | Usage général |
| 12 | PTFE | 13.0-13.2 | 1.0-1.2 | 8-10% | Plus grand diamètre ; rigidité plus élevée |
| 10 | PVDF | 11.2-11.5 | 1.2-1.5 | 12-15% | Le PVDF se dilate moins que le PTFE ; la clairance augmente avec la température |
| 10 | Métal (avec manchon PTFE) | 11,5-12,0 (identification de la manche) | 1.5-2.0 | 15-20% | Support métallique ; Le manchon en PTFE offre une surface à faible-friction |
| 10 (service agité) | PTFE | 10.8-11.0 | 0.8-1.0 | 8-10% | Même jeu mais espacement des supports réduit |
Le compromis contre l'usure vibratoire-
Des jeux plus lâches permettent un plus grand mouvement du tube dans le trou de support. Sous l'effet de l'agitation-vibration induite, le tube oscille et entre en contact avec le bord du trou à chaque cycle. Le contact répété porte le matériau du tube et de la plaque de support -un processus appelé fretting.
Le taux d'usure par fretting dépend de la force de contact, de l'amplitude de glissement et du couple de matériaux. Le frottement du PTFE-sur-PTFE est relativement inoffensif car les deux surfaces sont le même matériau et le faible coefficient de frottement limite la contrainte tangentielle. Cependant, au fil des années d'agitation continue, même l'usure du PTFE-sur-PTFE peut produire un amincissement mesurable des parois au niveau des points d'appui.
L'amplitude des vibrations est contrôlée par la portée non supportée entre les plaques de support, et non par le jeu des trous. Un espacement plus étroit des supports réduit l'amplitude plus efficacement que des jeux de serrage. L'approche recommandée consiste à maintenir le jeu de dilatation thermique et à réduire l'espacement des supports si les vibrations sont un problème, plutôt que de resserrer le jeu pour limiter le mouvement au détriment de la liaison thermique.
Inserts de manchon pour la protection contre l'usure
Pour les applications avec de fortes vibrations ou des particules abrasives dans le bain, les trous de la plaque de support peuvent être équipés d'inserts de manchon en PTFE remplaçables. L'insert offre la même surface à faible-friction qu'une plaque en PTFE solide, mais peut être remplacé en cas d'usure, protégeant ainsi le tube du contact direct avec la structure de support.
L'insert est conçu avec un ajustement serré dans la plaque de support et un ajustement avec jeu sur le tube. Le remplacement lors de la maintenance programmée rétablit le jeu d'origine sans remplacer la totalité de la plaque de support ou les tubes de l'échangeur de chaleur.
Résumé
Le dégagement optimal des trous de la plaque de support pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE est de 0,8 à 1,0 mm de diamètre pour les tubes de 8 à 10 mm de diamètre extérieur dans les plaques de support en PTFE. Cela fournit un espace suffisant pour une dilatation thermique sans entrave tout en limitant l'amplitude des vibrations à des niveaux qui produisent des taux d'usure par frottement acceptables tout au long de la durée de vie de l'équipement.
L'usure due aux vibrations est contrôlée plus efficacement en réduisant l'espacement des supports qu'en resserrant les jeux en dessous de l'exigence de dilatation thermique. Pour les conditions de service sévères, des inserts de manchon en PTFE remplaçables protègent la surface du tube de l'usure par contact direct.
Les recommandations techniques pour la conception de plaques de support dans des applications spécifiques d'échangeur de chaleur en PTFE sont disponibles sur soumission des dimensions des tubes, de la plage de température de fonctionnement, du type et de l'intensité de l'agitation, ainsi que de la durée de vie prévue de l'équipement.
