Pour les échangeurs de chaleur refroidis à l'eau de mer, quelle est la jauge à tube en titane optimale pour éviter les piqûres tout en maintenant le flux de chaleur au-dessus de 50 kW/m² ?

Le refroidissement des échangeurs de chaleur dans les centrales électriques, le traitement chimique et les systèmes CVC marins est réalisé à l'aide d'eau de mer, et les éléments chauffants sont soumis à deux défis simultanés : la nature hautement corrosive de l'eau de mer chlorée et la capacité à transférer efficacement l'énergie thermique à des taux supérieurs à 50 kW/m2. Les métaux non-précieux ne peuvent pas égaler la résistance à la corrosion et la conductivité thermique des tubes en titane, mais le choix de l'épaisseur de paroi-généralement de 0,5 mm à 2,0 mm pour le service d'échangeur de chaleur-représente un compromis technique fondamental-. Une jauge plus épaisse offrira plus de résistance aux piqûres et à la corrosion caverneuse causée par les chlorures, mais elle ajoutera une résistance thermique qui pourrait empêcher le système d'obtenir le flux de chaleur nécessaire. Cet article fournit des liens quantitatifs entre l'épaisseur de paroi du tube en titane, le temps de propagation des piqûres et le coefficient de transfert thermique permettant aux ingénieurs de choisir une jauge appropriée pour les applications d'eau de mer avec des vitesses d'écoulement comprises entre 1 et 3 m/s et des températures de 60 à 80 °C.

Épaisseur de paroi vs résistance aux piqûres
Dans l'eau de mer aérée (teneur en chlorure de 19 000 ppm, pH 8,1), le titane dépend d'un revêtement passif en TiO2 qui est stable en raison du seuil élevé de piqûre de chlorure, normalement supérieur à 0,5 V par rapport au SCE. Cependant, les conditions locales, telles que les zones stagnantes sous les dépôts, les faibles vitesses d'écoulement ou les températures élevées (supérieures à 70 degrés), peuvent déplacer le potentiel de piqûres vers des valeurs inférieures. Une fois qu'une fosse commence, la vitesse de propagation dans le titane est une fonction décroissante du temps en raison du contrôle de la diffusion. Des mesures expérimentales du temps jusqu'à la première perforation d'un tube en titane commercialement pur de grade 2 avec une épaisseur de paroi de 0,7 mm, à 60 degrés et une vitesse d'écoulement de 1 m/s, lors de tests d'exposition à l'eau de mer à long terme (ASTM G48 Méthode D) montrent environ 8 000 heures. L'augmentation de l'épaisseur de paroi à 1,2 mm entraîne des temps de perforation de plus de 25 000 heures, et un calibre de 1,65 mm, une durée de vie prévue de plus de 50 000 heures dans les mêmes conditions.

Cette relation n’est pas exactement linéaire puisque le taux de piqûres diminue avec l’augmentation de la profondeur des piqûres. Le produit de la profondeur de la fosse et du temps suit approximativement une loi parabolique. Cependant, les directives de conception pour les échangeurs de chaleur à eau de mer (par exemple, les normes TEMA avec tolérances de corrosion de l'eau de mer) recommandent une épaisseur de paroi minimale de 0,9 mm dans de l'eau de mer propre et courante avec des vitesses supérieures à 1,5 m/s, augmentant jusqu'à 1,2 mm en cas d'accumulation de débris ou d'écoulement intermittent. Pour les appareils de chauffage dont la température de surface est supérieure à 80 degrés, ce qui est courant pour les flux de chaleur supérieurs à 50 kW/m2, la surface du titane devient plus électrochimiquement active et une épaisseur de paroi minimale de 1,2 mm est requise pour éviter les piqûres sur une durée de vie nominale de cinq -ans.

Performance thermique à flux thermique élevé
Le taux de transfert de chaleur à travers une paroi de tube en titane peut être calculé à l'aide de l'équation de conduction radiale unidimensionnelle : Q=2π k L ΔT / ln(r_o/r_i) où Q est le taux de transfert de chaleur (W), k est la conductivité thermique (16 W/m·K pour le titane de grade 2), L est la longueur chauffée, ΔT est la différence de température entre les surfaces de la paroi intérieure et extérieure et ro/ri est le rapport entre le rayon extérieur et le rayon intérieur. Ainsi, pour un objectif de flux de chaleur donné (disons 50 kW/m^2 de surface extérieure), la diminution de température à travers le mur doit être plus importante à mesure que le terme logarithmique augmente avec l'épaisseur de la paroi.

Supposons un tube chauffant normal de 19 mm de diamètre extérieur. Pour une épaisseur de paroi de 0,9 mm (ro=9.5 mm, ri=8.6 mm) ln(ro/ri)=ln(9,5/8,6)=0.099. La différence de température à travers la paroi en titane pour donner un flux thermique de 50 kW/m$^2$ est $\\Delta T=(50 000 \\times \\ln(r_o/r_i) \\times r_o) / (k)$ en unités appropriées. q=flux thermique=50,000 W/m2 Calculer : Pour un cylindre, q=k ΔT / (ro ln(ro/ri)). La réorganisation donne ΔT=qr_o ln(r_o/r_i)/k=(50 000 * 0,0095 * 0,099)/16 ~ 2,94 K Pour une épaisseur de paroi de 1,65 mm (ri=7.85 mm, ln(9,5/7,85)=ln(1,210)=0.191) ΔT=(50 000 x 0,0095 x 0,191)/16 ≈ 5,67 K. La paroi plus épaisse augmente la pénalité de température à travers la paroi du tube elle-même de près d'un facteur deux.

La sanction a deux conséquences pratiques. Premièrement, l’élément chauffant interne (fil de résistance électrique ou côté vapeur) doit être à une température plus élevée pour donner le même flux thermique à l’eau de mer. Cela peut avoir un impact sur la durée de vie des radiateurs électriques ou nécessiter des pressions de vapeur plus élevées. Deuxièmement, la température plus élevée de la surface externe peut entraîner une augmentation de l'encrassement biologique ou de la formation de tartre dans l'eau de mer - le taux de tartre du carbonate de calcium double environ pour chaque augmentation de 10 K de la température de la surface externe. Les données de terrain des centrales électriques côtières démontrent que les radiateurs en titane avec des parois de 1,65 mm fonctionnant à 55 kW/m² se sont visiblement mis à l'échelle en six mois, alors que des radiateurs identiques avec des parois de 1,0 mm sont restés propres pendant dix-huit mois sous une chimie de l'eau identique.

Conception des échangeurs de chaleur : tableau de sélection basé sur le scénario
Le tableau ci-dessous combine les évaluations de corrosion et thermiques pour fournir des suggestions pratiques en fonction des paramètres d'écoulement de l'eau de mer, de la température de fonctionnement et du flux thermique requis. La meilleure jauge est un compromis entre le risque de piqûres précoces et la nécessité de maintenir le flux thermique au-dessus de 50 kW/m² sans entartrage excessif de la surface.

Conditions de fonctionnement Conditions de l'eau de mer Épaisseur de paroi recommandée (mm) Justification et principaux compromis-
High velocity once through cooling (≥2 m/s, 15–30°C)Clean, ventilated, low fouling 0.7 – 0.9 mmHigh flow inhibits pit start; thin wall allows heat flux >60 kW/m² avec une faible pénalité ΔT ; Durée de vie de 10 ans possible.
Débris 1-2 m/s 40-60 C Refroidissement par recirculationChlorures modérés, zones stagnantes occasionnelles 1,0 – 1,2 mm Équilibrer la résistance aux piqûres des dépôts avec l'efficacité thermique ; garder 50 kW/m², ΔT<5 K
Réchauffeur de saumure à haute température (60-80 degrés, 0,5-1 m/s) Désaéré mais riche en chlorures, risque d'attaque par sous-dépôt 1.2 - 1.5 mmLa résistance à la corrosion détermine la sélection. Acceptez un flux thermique réduit de 15 à 20 % ou augmentez la température du fluide caloporteur en conséquence.
Service, débit intermittent ou zone de marée (0-1 m/sec, température ambiante jusqu'à 50 degrés)Eau de mer stagnante, potentiel de biosalissure 1,5-2,0 mmLe calibre lourd permet une marge de corrosion pour de longues périodes d'arrêt. Le flux thermique de conception doit être réduit à 4 045 kW/m2 pour éviter une surchauffe.
Échangeur à plaques et à cadre pour écoulement turbulent (Re > 10 000)Eau de mer propre et bien traitée 0,5 – 0,7 mm (tube soudé à paroi mince)La turbulence favorise le transfert de chaleur, la paroi mince réduit le coût des matériaux et la résistance thermique, idéale pour les cas où les piqûres sont réduites par le traitement de l'eau.
Paramètres de conception complémentaires
L'épaisseur de la paroi ne peut pas être optimisée sans tenir compte d'autres éléments de conception. La résistance aux piqûres dépend fortement de la qualité de l'alliage de titane : le potentiel de piqûre du grade 7 (Ti-0,15Pd) est augmenté d'environ 300 mV et donc un tube de 0,9 mm de grade 7 présente la même résistance aux piqûres qu'un tube de 1,5 mm de grade 2 dans l'eau de mer chaude. Pour les échangeurs de chaleur dont le flux thermique est supérieur à 70 kW/m2, la pénalité thermique due à une épaisseur de paroi adaptée à la corrosion peut être compensée en utilisant des ailettes internes ou des surfaces intérieures améliorées. L'inhibiteur de piqûres le plus rentable est la vitesse d'écoulement : maintenir la vitesse de l'eau de mer au-dessus de 1,5 m/s supprime la plupart des mécanismes de piqûres sous les dépôts et permet d'utiliser des jauges plus fines, même dans des conditions chaudes. Un dépistage adéquat des mollusques et des détritus à l’entrée est également important.

Descriptif technique des chauffe-eau de mer
Pour un échangeur de chaleur refroidi à l'eau de mer avec un objectif de flux thermique de 50 kW/m2, les ingénieurs spécifiant des tubes chauffants en titane doivent demander aux fournisseurs les éléments suivants : mesures du potentiel de piqûre (ASTM G5) de la qualité de titane spécifique et de l'épaisseur de paroi dans l'eau de mer synthétique à la température de fonctionnement maximale ; résistance thermique calculée au flux de conception ; et des données historiques provenant de conditions de service similaires. Pour les systèmes à passage unique avec des vitesses d'écoulement élevées et des températures d'eau inférieures à 50 degrés, une paroi plus fine (0,9 à 1,0 mm) est appropriée lorsque la principale préoccupation est l'efficacité énergétique et une réaction rapide. Pour les systèmes d'eau de mer recirculés qui ont des périodes stationnaires, des températures élevées supérieures à 60 degrés ou lorsque les programmes de maintenance nécessitent un intervalle de remplacement de 10 ans, une paroi plus épaisse (1,2 à 1,5 mm) est recommandée. Le flux thermique requis et le profil chimique de l'eau de mer (chlorinité, température, régime d'écoulement, potentiel de bio-encrassement) sont définis de telle sorte que la jauge optimale du tube en titane n'est plus une supposition, mais une décision quantitative qui maximise le transfert de chaleur à vie par coût unitaire.