La spécification trompeuse
La conductivité thermique domine les discussions sur la sélection des matériaux des échangeurs de chaleur. L'acier inoxydable à 16 W/m·K et le titane à 22 W/m·K semblent nettement supérieurs au PTFE à 0,25 W/m·K. Sur une fiche technique, les métaux gagnent.
Dans un bain de placage de zinc ou de nickel sujet aux boues, la fiche technique raconte moins de la moitié de l'histoire. Après six mois de fonctionnement, la surface de la bobine métallique est recouverte d'une couche d'hydroxydes métalliques et de sulfate de calcium semblable à du ciment. Le coefficient de transfert de chaleur global mesuré a chuté de 50 % ou plus par rapport à la valeur propre. Le serpentin doit être retiré pour un détartrage chimique. La production s'arrête. Le bain refroidit. Quatre heures plus tard, le serpentin propre est réinstallé et le cycle recommence.
Le serpentin PTFE du réservoir adjacent a accumulé une fine couche de boue qui se détache partiellement lors de l'agitation normale du bain. Le coefficient de transfert de chaleur a diminué de 8 % par rapport à la valeur propre. Aucun nettoyage n'est nécessaire. La production continue.
Le facteur d'encrassement
La résistance à l'encrassement s'ajoute à la résistance thermique totale de tout échangeur de chaleur. Le coefficient de transfert de chaleur global est l'inverse de la somme des résistances individuelles : film côté vapeur-, paroi du tube, film côté procédé- et couche d'encrassement.
Pour une bobine métallique propre, la résistance de la paroi du tube est négligeable. La valeur U- globale est dominée par le coefficient du film côté processus-. La valeur U-initiale est élevée.
Pour une bobine métallique encrassée, la résistance de la couche d’encrassement est importante et dominante. Les dépôts de boues sur le métal ont une forte adhérence due à l'attraction électrostatique et à l'imbrication mécanique avec la rugosité de la surface. Le dépôt s’accumule régulièrement. Après six mois, la résistance à l’encrassement dépasse toutes les autres résistances réunies. La valeur globale U- s'effondre.
Pour une bobine en PTFE, la résistance de la paroi du tube est importante même lorsqu'elle est propre. La valeur U- propre est inférieure à celle du métal propre. C'est la pénalité de conductivité thermique. Mais la résistance de la couche d'encrassement augmente lentement car les boues adhèrent faiblement à la surface en PTFE à faible énergie. Après six mois, la résistance à l'encrassement ne représente qu'une fraction de la résistance à l'encrassement de la bobine métallique. La valeur U- globale de la bobine en PTFE, qui a commencé plus bas, peut maintenant égaler ou dépasser la valeur U- de la bobine métallique encrassée.
Tableau 1 : Performances de transfert de chaleur au fil du temps dans un bain sujet aux boues- (valeurs typiques)
| Période d'exploitation | Valeur U-de la bobine métallique (W/m²·K) | Bobine PTFE Valeur U- (W/m²·K) | Avantage de performance efficace |
|---|---|---|---|
| Jour 1 (propre) | 800 | 280 | Métal +185 % |
| Mois 1 | 550 | 270 | Métal +104 % |
| Mois 3 | 380 | 255 | Métal +49 % |
| Mois 6 | 290 | 240 | Métal +21 % |
| Mois 6 (après le nettoyage des métaux) | 800 | 240 | Métal +233 % (temporaire) |
| Moyenne sur 12 mois (incluant les temps d'arrêt de nettoyage pour le métal) | 420 | 245 | Métal +71 % (continu ou intermittent) |
Valeurs illustratives basées sur des observations sur le terrain dans le placage de zinc et de nickel. Les taux d'encrassement réels dépendent de la chimie du bain, de la température et de l'agitation. Nettoyage des métaux assuré tous les 6 mois avec 4 heures d'arrêt par événement. Le PTFE ne suppose aucun temps d’arrêt pour le nettoyage.
Le facteur de temps d'arrêt
La comparaison des performances thermiques doit tenir compte de la disponibilité. Un serpentin métallique retiré pour le nettoyage ne fournit aucune chaleur pendant la période de nettoyage. Le bain refroidit. Au redémarrage, une énergie supplémentaire est nécessaire pour réchauffer le bain à la température de fonctionnement. Cette pénalité énergétique fait partie du coût du cycle de vie.
Un serpentin PTFE fonctionnant en continu sans arrêt de nettoyage fournit un apport de chaleur constant. Il n'y a pas de pénalité de réchauffage. Les calendriers de production ne sont pas interrompus pour la maintenance des bobines. L'apport de chaleur annuel effectif -l'énergie totale transférée au processus sur un an-peut favoriser le serpentin en PTFE même si sa valeur U instantanée propre-est inférieure.
Au-delà des performances thermiques
La comparaison de l’encrassement n’affecte pas seulement le transfert de chaleur. Le détartrage chimique des bobines métalliques génère des déchets acides dangereux qui doivent être éliminés. Chaque cycle de nettoyage élimine une petite quantité de métal de base ainsi que le tartre, amincissant progressivement la paroi du tube. Après des années de détartrage et de détartrage cycliques, la bobine métallique doit être remplacée en raison de l'amincissement des parois et non de l'encrassement.
Les bobines en PTFE résistent aux attaques chimiques des produits chimiques de détartrage, mais elles nécessitent rarement un détartrage. Lorsqu’un nettoyage est nécessaire, la surface inerte tolère sans dégradation les nettoyants agressifs. Aucun matériau de base n'est perdu. L'épaisseur de la paroi reste constante tout au long de la durée de vie de l'équipement.
Résumé
La conductivité thermique n'est pas le seul déterminant des performances de l'échangeur de chaleur dans les bains de placage sujets aux boues. Les taux d’encrassement sur les surfaces métalliques dégradent les avantages thermiques initiaux en quelques mois. La faible énergie de surface du PTFE minimise l'adhésion des boues, maintenant des coefficients de transfert de chaleur stables sur des périodes prolongées sans temps d'arrêt pour le nettoyage.
La comparaison du cycle de vie doit inclure la croissance de la résistance à l'encrassement, la fréquence de nettoyage, les pénalités énergétiques en cas d'arrêt et les coûts de nettoyage chimique. Lorsque ces facteurs sont pris en compte, les échangeurs de chaleur en PTFE offrent souvent un coût total inférieur et des performances thermiques plus constantes que leurs équivalents métalliques dans les applications sujettes aux boues.
Une analyse technique pour la comparaison du cycle de vie des échangeurs de chaleur en PTFE et en métal dans des bains spécifiques sujets aux boues-est disponible sur soumission de la chimie du bain, des données sur le taux d'encrassement, de la fréquence et des coûts de nettoyage actuels, ainsi que de la charge thermique requise.
