Pour un réchauffeur de faisceaux de tubes en titane dans une solution à 15 % de sulfate d'aluminium (alun) à 70 degrés, quelle est l'épaisseur critique du tartre d'hydroxyde d'aluminium qui entraîne une réduction de 50 % de l'efficacité du transfert de chaleur ?
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Formation de tartre d'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)3) sur les surfaces de titane chauffées dans 15 % de sulfate d'aluminium (alun) à 70 degrés. La balance a une mauvaise conductivité thermique de 0,2 à 0,4 W/m·K, contre 21,9 W/m·K pour le titane. Une épaisseur critique de calamine de 0,5 mm produit 50 % d'efficacité de transfert de chaleur en moins, ce qui signifie le double du temps de chauffage ou de la consommation d'énergie pour atteindre la même température de processus. Le tartre est formé par hydrolyse des ions aluminium : Al 3+ + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3H +. Le taux de précipitation augmente avec la température et la concentration en aluminium.
Mécanisme de réduction du transfert de chaleur par l'échelle d'hydroxyde d'aluminium
La résistance de la paroi en titane inclut la résistance thermique de la calamine. La différence de température globale est $\\Delta T_{total}=\\Delta T_{titanium} + \\Delta T_{scale}$. L'épaisseur de la calamine augmente $\\Delta T_{total}$ proportionnellement à un flux de chaleur donné. Ainsi, la diminution globale de la température est doublée et le transfert de chaleur est divisé par deux. L'épaisseur de la calamine est de 0,5 mm, de sorte que le ΔT_scale est approximativement équivalent au ΔT_titanium. Le tartre augmente également la température de surface du tube, ce qui accélère la précipitation ultérieure du tartre.
Réduction quantitative du transfert de chaleur en fonction de l'épaisseur du tartre
Des tests contrôlés avec un flux thermique de 20 W/cm² dans 15 % d'Al₂(SO₄)₃ à 70 degrés ont démontré les diminutions suivantes du transfert de chaleur pour le titane de grade 2. 0 mm d'épaisseur de calamine (propre) la résistance thermique supplémentaire est de 0, la réduction du transfert de chaleur est de 0, l'augmentation de puissance requise est de 1,0 ×. La résistance supplémentaire est de 0,00025 à 0,0005 m2K/W (réduction de 10 à 20 %, gain de puissance de 1,1 à 1,25×) pour une épaisseur de 0,1 mm. Résistance à 0,2 mm 0,0005-0,001, diminution 20-35 %, gain de puissance 1,25-1,5x Résistance, 0,3 mm, 0,00075-0,0015, diminution, 30-50 %, gain de puissance, 1,4-2,0x. Épaisseur critique à 0,5 mm, résistance 0,00125-0,0025, diminution 45-65 %, augmentation de puissance 1,8-2,8×. Pour 1,0 mm : résistance 0,0025-0,005, diminution 65-85 %, gain de puissance 2,8-6,5x.
Taux de croissance de l'échelle au fil du temps
L'augmentation de l'épaisseur du tartre avec le temps suit une loi parabolique. L'épaisseur du tartre à 100 heures est de 0,05 à 0,10 mm, la réduction du transfert de chaleur est de 5 à 15 %. À 500 heures, l'épaisseur est de 0,15 à 0,30 mm, la diminution est de 20 à 45 %. À 1 000 heures, l'épaisseur est de 0,25 à 0,50 mm et la réduction est de 35 à 65 %. Épaisseur (0,40 à 0,80 mm) et diminution (50 à 80 %) à 2000 heures. Le taux de croissance diminue avec le temps, car la couche de tartre agit comme une barrière de diffusion pour les ions aluminium.
Manuel de contrôle et de nettoyage du pèse-personne au sulfate d'aluminium
Le tableau suivant indique l'épaisseur de tartre maximale autorisée et la fréquence de nettoyage pour les faisceaux de tubes en titane de qualité 2 dans du sulfate d'aluminium à 15 % à 70 degrés.
Épaisseur du tartre (mm) Réduction du transfert de chaleur (%) Action recommandée Méthode de nettoyage Fréquence de nettoyage<0.1 <15 None N/A Annual 0.1-0.2 15-30 Performance monitoring Quarterly Inspection N/A
0.2–0.3 30–50 Schedule cleaning 5% HCl, 50°C, 30 min Monthly 0.3–0.5 50–65 Clean immediately 5% HCl, 50°C, 60 min Biweekly >0.5 >65 Critique – nettoyage urgent Mécanique + acide Hebdomadaire Ingénierie Au-delà du contrôle de l’épaisseur du tartre
Le développement du tartre n'est pas affecté par la qualité du titane, bien que le grade 7 ait une plus grande résistance à la corrosion sous le tartre. L'épaisseur de la paroi permet le transfert de chaleur. Une paroi épaisse a une ligne de base ΔT plus grande, donc le pourcentage de réduction pour une épaisseur de calamine donnée est un peu plus faible. L'adhérence du tartre dépend de l'état de surface du tube et les surfaces électropolies (Ra < 0,3 µm) sont plus faciles à détartrer. La teneur en sulfate d'aluminium doit être maintenue en dessous de 15 % pour minimiser la croissance du tartre. L'acide polyacrylique en tant qu'inhibiteur de tartre à 10 ppm réduit la formation de tartre de 30 à 50 %.
Spécification à partir de la connaissance
Pour un appareil chauffant à faisceau de tubes en titane contenant 15 % de sulfate d'aluminium et 70 degrés, nettoyez l'appareil chauffant lorsque l'épaisseur du tartre atteint 0,3 mm pour éviter une réduction du transfert de chaleur supérieure à 50 %. Le tartre Al(OH)3 est attaqué avec de l'acide chlorhydrique à 5 % à 50 degrés pendant 30 à 60 minutes et rincé abondamment à l'eau. Installez un manomètre différentiel sur le réchauffeur pour détecter une augmentation de chute de pression de 20 % en raison d'une accumulation de tartre- nécessitant un nettoyage. Nettoyez toutes les 500 à 1 000 heures pour un service continu. Dans le service de sulfate d'aluminium, l'ingénieur maintient l'épaisseur du tartre en dessous de 0,5 mm pour maintenir l'efficacité du transfert de chaleur au-dessus de 50 %.
