Le problème de la distribution
Un échangeur de chaleur en PTFE comportant 60 tubes connectés à un seul collecteur de vapeur devrait, en théorie, recevoir un débit de vapeur égal dans chaque tube. En pratique, les tubes les plus proches de l’entrée du collecteur reçoivent plus de vapeur que ceux situés à l’extrémité la plus éloignée. Le déséquilibre crée des zones chaudes et froides dans le faisceau de tubes. Les tubes froids ne condensent pas complètement la vapeur et peuvent être inondés de condensat. Les tubes chauds fonctionnent à des températures de paroi excessives.
L'uniformité de la distribution de la vapeur dépend du profil de pression à l'intérieur du collecteur. À mesure que la vapeur circule le long du collecteur, les changements de friction et de quantité de mouvement font varier la pression statique. Les tubes situés à différents endroits subissent des pressions de conduite différentes. L'ampleur de cette variation de pression détermine le déséquilibre du débit.
Le nombre de tubes par collecteur est une variable de conception principale contrôlant l'uniformité de la distribution. Moins de tubes par collecteur réduisent la longueur du collecteur et la variation de pression le long de celui-ci. Un plus grand nombre de tubes par collecteur augmente le débit total, augmentant ainsi la variation de pression et le risque de mauvaise distribution. Le nombre optimal de tubes équilibre la qualité de la distribution par rapport au coût et à la complexité de plusieurs collecteurs.
Le profil de pression du collecteur
La vapeur entrant dans un collecteur subit deux effets de pression concurrents. La friction entre la vapeur et la paroi collectrice entraîne une diminution de la pression dans le sens de l'écoulement. Cela tend à réduire le débit vers les tubes en aval. Simultanément, à mesure que la vapeur se dirige vers les tubes, la vitesse dans le collecteur diminue. L'énergie cinétique du flux en décélération se convertit en pression statique, un phénomène appelé récupération de pression. Cela tend à augmenter le débit vers les tubes en aval.
Pour les collecteurs de vapeur avec une faible vitesse d'entrée et de nombreux tubes de dérivation, la friction domine et les tubes en aval sont affamés. Pour les collecteurs avec une vitesse d'entrée élevée et peu de dérivations, la récupération de pression peut surcompenser et les tubes en aval reçoivent un débit excessif.
La conception optimale équilibre ces effets pour obtenir une pression presque-uniforme à toutes les entrées des tubes. Ceci est accompli en sélectionnant le diamètre du collecteur et le nombre de tubes de telle sorte que la variation de pression à travers tous les points de dérivation soit inférieure à 5 % de la différence totale de pression d'entraînement.
Tableau 1 : Nombre de tubes recommandé par collecteur en fonction de la pression de vapeur et du diamètre du tube
| Pression de vapeur (barg) | Diamètre extérieur du tube (mm) | Tubes recommandés par collecteur | Nombre maximum de tubes par collecteur | Diamètre du collecteur (mm) | Variation de débit attendue |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Valeurs basées sur une longueur de tube uniforme de 1,5 mètre, une orientation horizontale du collecteur et une variation de débit cible inférieure à 5 %. Des tubes plus longs augmentent la résistance individuelle des tubes, améliorant ainsi la distribution et permettant un nombre de tubes légèrement plus élevé.
L'exigence d'égalisation des condensats
La distribution Steam ne représente que la moitié du problème. L'élimination des condensats doit être également uniforme. Si le collecteur de condensats aux sorties des tubes a un profil de pression différent de celui du collecteur de vapeur, la pression nette d'entraînement à travers chaque tube variera même si les pressions d'alimentation en vapeur sont égales.
Le collecteur de condensats fonctionne généralement avec du -écoulement biphasé-condensat et de la vapeur de flash. Sa distribution de pression est plus complexe que celle du collecteur de vapeur monophasé-. L'égalisation du chemin de condensat est obtenue en inclinant le collecteur de condensat vers le bas vers le purgeur de vapeur, en garantissant qu'aucune sortie de tube n'est immergée dans le condensat accumulé et en limitant le nombre de tubes par collecteur de condensat au même ou à un nombre inférieur à celui du côté vapeur.
Configurations d'en-tête pratiques
Pour un échangeur de chaleur en PTFE de 60 kW nécessitant 60 tubes de 10 mm de diamètre extérieur, la configuration recommandée utilise trois collecteurs de vapeur, chacun alimentant 20 tubes. Cette disposition limite la variation du débit à 3-5 % dans tous les tubes. Chaque collecteur se connecte à un collecteur de condensats séparé comportant un nombre de tubes égal.
Les conceptions à-collecteur unique pour 60 tubes sont techniquement réalisables avec des diamètres de collecteur surdimensionnés, mais introduisent une variation de débit de 15-25 %, risquant d'inonder de condensats dans les tubes les plus affamés. Les économies réalisées grâce à la réduction du nombre d’en-têtes sont contrebalancées par la pénalité en termes de performances due à une mauvaise distribution.
Pour les très grands échangeurs dépassant 200 tubes, un système de collecteur distribue la vapeur vers plusieurs sous--collecteurs. Le collecteur gère le débit de vapeur en vrac et chaque sous--collecteur alimente un nombre gérable de tubes. Cette approche hiérarchique maintient la qualité de la distribution à toutes les échelles.
Résumé
Le nombre de tubes par collecteur contrôle directement l'uniformité de la distribution de la vapeur dans les échangeurs de chaleur en PTFE multi-passes. La plage recommandée de 10 à 30 tubes par collecteur, en fonction de la pression de la vapeur et du diamètre du tube, limite la variation du débit à moins de 5 % et empêche l'inondation de condensats dans les tubes affamés. Plusieurs collecteurs plus petits surpassent un seul collecteur surdimensionné en termes de qualité de distribution et de performances thermiques.
Un dimensionnement approprié du collecteur, combiné à une conception soignée du collecteur de condensat, garantit que chaque tube du faisceau PTFE contribue pleinement à la fonction totale de transfert de chaleur. Le modeste coût supplémentaire des collecteurs multiples est récupéré grâce à l’élimination des points froids et des tubes inondés.
Les recommandations techniques pour la conception des collecteurs d'échangeurs de chaleur en PTFE sont disponibles sur présentation du besoin thermique requis, de la pression de vapeur, des spécifications des tubes et des contraintes physiques sur le placement du collecteur.
