La forme d'un tube PFA ondulé ou hélicoïdal améliore-t-elle la répartition de la chaleur dans les bains d'huile à faible-débit et haute-viscosité ?

La gestion thermique des bains d'huile à haute viscosité, tels que ceux utilisés pour la fabrication de polymères, le traitement thermique et le revêtement des réacteurs chimiques, constitue un défi constant : l'huile s'écoule lentement (convection naturelle seule ou recirculation à faible débit{{1}) et résiste au mélange. Dans une telle atmosphère, un tube chauffant droit en PFA produit un panache limité d'huile chauffée s'élevant verticalement, laissant des volumes importants de bain à une température plus basse. La différence de température entre la surface du réchauffeur et l'huile en vrac est parfois supérieure à 30 -40 degrés, ce qui entraîne une dégradation accélérée du PFA dans les zones chaudes. En théorie, un tube PFA ondulé ou courbé en hélice permet une meilleure répartition de la chaleur via les flux secondaires et une rupture de la couche barrière thermique. Le degré auquel ce changement de forme apporte une amélioration perceptible dépend de la viscosité de l'huile à la température de fonctionnement, de la géométrie du réservoir et de la chute de pression autorisée dans les systèmes à débit forcé.

Modification du modèle de flux de géométrie hélicoïdale
Le fluide circulant dans et autour d'un tube PFA hélicoïdal (enroulé comme un ressort) ou d'un tube sinusoïdal (coudes ondulés dans un plan) est soumis à des forces centrifuges. La méthode de transfert de chaleur dans un bain d’huile au repos est la convection naturelle. Dans le cas d'un tube vertical droit, le flux de convection naturelle est exclusivement axial et il n'y a qu'une seule colonne d'huile chauffée qui monte vers le haut. D’un autre côté, un tube hélicoïdal a des surfaces incurvées qui plient le pétrole ascendant vers l’extérieur à mesure qu’il monte. Les mesures de vélocimétrie par image de particules dans de l'huile de silicone 1 000 cP à 120 degrés indiquent qu'un tube PFA hélicoïdal (bobine de 100 mm de diamètre, hauteur de 200 mm) crée un modèle d'écoulement toroïdal tournant autour du réchauffeur. L'huile chauffée monte en spirale puis descend le long des parois du réservoir, générant une cellule de circulation à grande échelle qui occupe 70 à 80 % du volume du réservoir. Cette circulation réduit la différence de température maximale à travers le réservoir de 25 à 30 degrés (pour un tube droit) à 10 à 15 degrés (pour une hélice) pour la même puissance absorbée.

L'amélioration augmente avec le nombre de Dean, une quantité sans dimension qui mesure la force du flux secondaire dans les tubes courbes. Pour les viscosités d'huile supérieures à 10 000 cP à la température de fonctionnement, l'indice Dean est inférieur à 5 et le débit secondaire est minime. Dans ces huiles très visqueuses, une forme hélicoïdale n'offre pas d'avantage en matière de répartition de la chaleur par rapport à un tube droit, car l'impulsion du fluide ne génère pas de circulation à écoulement transversal. La limite de viscosité supérieure pratique pour un bénéfice hélicoïdal est d'environ 8 000 à 10 000 cP. La viscosité doit être inférieure à 1 000 cP pour que l'écoulement secondaire soit suffisamment fort pour compromettre l'intégrité de la gaine PFA par érosion localisée au niveau du rayon extérieur des coudes.

Uniformité de la température de surface et perturbation de la couche limite
La forme du tube ondulé (sinusoïdal avec une amplitude de 30 à 50 mm et une longueur d'onde de 100 à 150 mm) interagit avec la couche limite thermique d'une manière différente d'une hélice. Lorsque le pétrole s'écoule sur la surface ondulée (par convection naturelle ou écoulement contrôlé), les parties convexes et concaves créent des gradients de pression qui entraînent une séparation et un rattachement du flux. Chaque vague génère une petite zone de recirculation du côté aval du pic convexe qui mesure 3 à 5 diamètres de longueur. Ces zones de recirculation transportent l'huile du refroidisseur du flux en vrac vers la surface du réchauffeur et réduisent l'épaisseur de la couche limite locale de 30 à 50 % par rapport au cas du tube droit. Des expériences de thermocouple sur un radiateur PFA ondulé dans de l'huile de 5 000 cP à 150 degrés révèlent que la température de surface varie de ± 4 à 6 degrés sur la longueur, contre ± 12 à 18 degrés pour un radiateur droit avec la même surface totale. L'uniformité améliorée de la température améliore directement la durée de vie du PFA en réduisant la température maximale de surface. La température maximale de surface est réduite d'environ 10 degrés pour une diminution de 40 à 50 % du taux de dégradation du PFA (suivant la cinétique d'Arrhenius).

L'ondulation impose une limitation pratique : le rayon de courbure minimum du tube doit être supérieur à 8 à 10 fois le diamètre du tube, pour éviter une concentration excessive de contraintes dans le PFA. Pour les tubes PFA d'un diamètre de 12 mm, une forme ondulée avec un rayon de courbure de 60 mm est possible. Un rayon plus étroit (30 mm) entraîne un amincissement localisé de la paroi du PFA au niveau du coude extérieur, ce qui diminue la résistance mécanique de 20 à 30 % et augmente le risque de perméation. Les fabricants de radiateurs PFA ondulés ou hélicoïdaux doivent utiliser un cintrage au mandrin avec une chaleur contrôlée pour empêcher le mur de s'effondrer. Les défaillances sur le terrain des réchauffeurs PFA courbés proviennent généralement de courbures illimitées dont le rayon est inférieur à 6 fois le diamètre du tube.

Guide de sélection de forme pour les applications
Viscosité Température de fonctionnement et type d'huileCondition d'écoulementForme de tube préféréeAmélioration anticipée de l'uniformité de la températurePrincipale limitation
Huile légère (100-500 cP), 80-120 degrés Convection naturelle uniquement Hélicoïdal (diamètre de la bobine 8 à 10 fois le diamètre extérieur du tube) Réduit le ΔT du réservoir de 25 degrés à 10-12 degrés Le flux secondaire érode le PFA au-dessus de 200 degrés
Convection naturelle 120-150 degrés Huile moyenne (500-2 000 cP) Ondulée (amplitude 4-6× tube OD)diminue les points chauds de surface 8-12 degrés ; L'espacement des vagues est crucial ; trop serré diminue les avantages
Huile moyenne (500-2 000 cp) Faible débit forcé (Re 100-500) Hélicoïdal avec pas de serpentin plus large Augmente le coefficient de transfert de chaleur de 30 à 50 pour cent Diminution de la pression 2 à 3 fois le tuyau droit
Pétrole lourd (2 000 à 8 000 cP), 150 à 180 degrés Convection naturelle Tube droit à ailettes ou surface étendue L'avantage hélicoïdal/ondulé est mineur (Dean<5)Change of shape not justified
Pétrole lourd (10,000+ cP)Tube droit ; de nombreux réchauffeurs courts doivent être envisagés. Aucune amélioration significative de la viscosité du moulage amortit complètement les flux secondaires
Toute viscosité, cuve avec mélangeur mécaniqueFortes turbulences induitesTube droit (agitation dominante)Le façonnage coûte de l'argent et ne donne aucune valeurUne température uniforme est déjà donnée en agitation,
Réservoir avec une petite section-(espace limité)Convection naturelle hélicoïdale (petit profil vertical)L'amélioration de la forme est plus importante que les économies d'espaceÉvaluer l'amélioration de l'uniformité des radiateurs multiples droits
Conclusion : la forme n'a d'importance que dans le régime de viscosité intermédiaire
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ la viscosité élevée du fluide inhibe les écoulements secondaires et les tubes courbes ne valent pas mieux que les tubes droits. Les tubes hélicoïdaux minimisent les gradients de température du réservoir de 40 à 60 pour cent et les tubes ondulés réduisent les points chauds de surface de 30 à 50 pour cent dans la plage de 1 000 à 5 000 cP pour de meilleures performances. L'uniformité améliorée augmente directement la durée de vie du réchauffeur PFA en abaissant les températures de surface maximales. Pour les ingénieurs envisageant de spécifier des réchauffeurs pour bains d'huile à viscosité moyenne, il est recommandé de demander une modélisation informatique de la dynamique des fluides (CFD) du tube façonné dans la géométrie spécifique de leur réservoir avant de s'engager dans la production. Les avantages dépendent fortement du rapport d’aspect du réservoir et de l’emplacement du radiateur par rapport aux murs. Au-dessus de 8 000 cP, envisagez plusieurs éléments chauffants droits et une recirculation forcée plutôt qu'une forme complexe, car le coût d'un tube PFA hélicoïdal, qui est généralement 30 à 50 % plus élevé que celui d'un tube droit, n'est pas récupéré en termes d'uniformité accrue.