Comment concevoir un échangeur PTFE pour une application à bord d'un navire avec tangage et roulage sévères ?

Un échangeur de chaleur pour un fonctionnement continu
Un échangeur de chaleur sur un navire n'est jamais stationnaire. Le navire roule, tangue, lacet et se soulève constamment lorsqu'il réagit au chargement des vagues et aux différents états de la mer. Ces mouvements placent tous les équipements installés dans un environnement de fatigue constant et multidirectionnel-, et chaque élément d'équipement qu'il contient devient un test de contrainte dynamique de longue durée-.

Un faisceau de tubes horizontal normal légèrement soutenu serait rapidement endommagé dans de telles conditions par des claquements, des vibrations et des frottements répétitifs du support. Par conséquent, un échangeur PTFE approprié pour une utilisation marine doit être conçu comme un système structurellement intégré avec ses composants intérieurs contraints et ses parties externes installées comme une seule unité mécanique rigide.

Un dispositif de roulage à bord d'un échangeur PTFE correctement conçu doit être considéré comme un navire à l'intérieur d'un navire. Chaque tube et chaque structure de support doivent être protégés pour un chargement continu de type tempête.

L'échangeur doit être un bloc solide-autonome, renforcé à l'intérieur comme la coque d'un navire, pour résister au tremblement de terre incessant au ralenti-du mouvement océanique.

Pourquoi une philosophie de conception particulière est nécessaire pour le mouvement à bord des navires
Conditions de chargement dynamique multi-axial -
Contrairement aux installations terrestres-, les systèmes marins sont soumis à des mouvements complexes, notamment :

Rouler (rotation latérale-à-latérale)

Roulis (rotation latérale)

Translation verticale (heave)

Lacet (rotation autour d'un axe horizontal)

Incidents soudains de claquement lors de fortes vagues

Ces mouvements sont contrôlés par les paramètres de stabilité du navire (par exemple hauteur métacentrique). Ceux-ci déterminent la période de roulis et l’accélération angulaire. Des angles de roulis importants peuvent générer d'importantes forces d'inertie dans les enceintes d'équipement.

Les composants des échangeurs internes sans modification spécifique de conception peuvent être soumis à :

Frettings et vibrations des tubes

fissuration par fatigue du déflecteur

Extrémités de biellette de direction desserrées

Pliage de la plaque de support

Chargement par impact des tubes voisins

La conception préférée est une configuration verticale en tube en U-
Stabilité Gravité-Mouvement assisté
Une orientation verticale est particulièrement souhaitée pour les applications à bord des navires. Dans cet agencement, l'écoulement du fluide vers le haut garantit que la coque est toujours complètement inondée et l'effet de la gravité aidera à stabiliser la distribution du fluide à l'intérieur du navire pendant le mouvement du navire.

Les avantages de l’orientation verticale comprennent :

Réduction des effets de ballottement latéral

Stabilité de phase améliorée

Risque réduit de génération de poches de vapeur

Dispersion de chaleur plus cohérente dans des circonstances d'inclinaison

Le faisceau de tubes en U- supprime la contrainte fixe de la plaque tubulaire
En service maritime, il est courant de sélectionner un faisceau de tubes en U-car il permet :

Expansion thermique indépendante des tuyaux

Suppression de la concentration de contrainte fixe de la plaque tubulaire

charges de fatigue thermique réduites

Meilleure tolérance aux mouvements structurels

La conformité mécanique du segment de courbure en U flottant est avantageuse lors des cycles thermiques et mécaniques combinés.

Renfort interne contre le mouvement du navire
Un espacement rapproché des supports de tubes évite les dommages causés par les vibrations.
Dans des circonstances de fort roulis, le mouvement du navire augmente considérablement la probabilité d'interaction tube-à-tube. Pour compenser cela, les plaques de support des tubes doivent être plus espacées que dans les échangeurs terrestres.

Les effets de conception importants sont :

Espacement des tubes plus petit sans support

Augmentation de la fréquence naturelle des vibrations du tube

Occurrences de roulis d’oscillation de faible amplitude

Chargement transitoire : prévention du claquement du tube

Les supports sont suffisamment proches pour que les tubes agissent comme un faisceau confiné plutôt que comme des pièces flexibles indépendantes.

Systèmes de déflecteurs et de tirants robustes
Les chicanes et les tirants doivent être conçus pour avoir une forte résistance à la fatigue due aux mouvements cycliques du navire.

Exigences de conception :

Épaisseur structurelle améliorée des chicanes

Jeux de tirants verrouillables

Dispositifs de verrouillage contre le desserrage

Soudure renforcée et point de fixation

Sélection de fixations résistantes aux vibrations

Les équipements marins doivent être d'une grande intégrité et les sociétés de classification telles que DNV, ABS et Lloyd's Register établissent des critères stricts. Les micro-mouvements peuvent provoquer le desserrage des fixations et des systèmes de verrouillage mécanique ou de fil de sécurité doivent être utilisés pour éviter cela.

Support sismique équivalent pour le service maritime
Charge sismique continue des mouvements du navire
Le montage des équipements à bord des navires est souvent envisagé d'une manière comparable à la conception sismique des structures terrestres. Les charges d'accélération de roulis et de claquement sont des forces d'inertie égales qui doivent être transmises via la structure de support.

Les considérations de conception croissantes incluent :

Charges de pointe sur les angles de roulis et de tangage

Amélioration de l'accélération dynamique

Charge de fatigue pendant la durée de vie d'un navire

Charge de choc due à l'impact des vagues

Construction de cadre de base robuste
L'échangeur complet doit être installé sur un cadre de support rigide de type navire-, conçu pour la répartition des charges dans la structure du navire.

Les caractéristiques communes sont :

Gousset-éléments structurels renforcés

Cadres en acier, bases soudées

Patins de montage anti-vibrations.

Plaques de base de répartition de charge

Lien structurel-en points avec la charpente de la coque

L'objectif est d'éviter les concentrations de contraintes locales et de fournir un transfert uniforme de charge dans la grille structurelle du navire.

Fatigue pendant la durée de vie des opérations maritimes
Charge de fatigue à long-terme en mouvement continu
Même si les forces instantanées se situent dans des limites acceptables, un chargement cyclique sur des milliers d’heures peut provoquer des dommages par fatigue :

Supports de tubes

Joints soudés

Connecteurs de support

Ensembles de-biellettes de direction

Montage des interfaces

L'analyse de la durée de vie en fatigue devient un aspect clé du processus de conception, en particulier pour les navires opérant dans des états de mer extrêmes.

Résonance : pourquoi il est important d'éviter
Les fréquences inhérentes aux structures internes doivent être bien séparées des principales fréquences d'excitation du mouvement du navire. Les circonstances de résonance peuvent prendre des mouvements mineurs et les amplifier en oscillations destructrices.

Les stratégies de conception sont :

Rigidité accrue de la structure

Périodes non réduites

Ajout d'interfaces d'amortissement

Optimisation de la grande distribution

Sélection de matériaux et de polymères pour les systèmes PTFE
La flexibilité du PTFE facilite le mouvement marin
Les matériaux des tubes en PTFE présentent un-avantage intégré dans les environnements maritimes :

• Excellente résistance chimique

Flexibilité sous charges cycliques

Résistance à la corrosion atmosphérique marine

La faible énergie de surface réduit les risques d'encrassement

Le PTFE a cependant toujours besoin d'une contrainte mécanique pour éviter un mouvement excessif sous des charges dynamiques.

Effet de couplage thermique-mécanique
La combinaison de la dilatation thermique et du mouvement du navire entraîne des circonstances de chargement complexes. La flexibilité du tube en U- permet la dilatation thermique et les supports structurels prennent en charge le mouvement mécanique, et donc la stabilité du système pendant le fonctionnement.

Conformité aux sociétés de classification
Critères de conception marine requis
Les échangeurs en PTFE destinés aux applications à bord des navires doivent satisfaire aux normes de la société de classification qui peuvent inclure :

Vérification de l'intégrité structurelle (DNV, ABS, Lloyd's Register)

Approbation des analyses de vibrations et de fatigue

Qualification de charge de choc

Exigences en matière de traçabilité des matériaux

Normes de soudage et de fabrication

Ces exigences précisent que l'équipement peut supporter la durée de vie opérationnelle du navire dans des circonstances environnementales spécifiées.

Résumé
Un échangeur PTFE embarqué pour le tangage et le roulage sévères est essentiellement une machine thermique robuste, montée verticalement et renforcée intérieurement. La charge de fatigue multi-axiale continue est gérée par une structure de tube en U-, des supports de tubes étroitement espacés, des systèmes de déflecteurs renforcés et un cadre de montage soigneusement construit.

La technique de conception de tangage roulant de l'échangeur PTFE convertit l'échangeur en un système structurel unique capable de gérer le mouvement continu, les charges de claquement occasionnelles et l'usure vibratoire à long terme de l'environnement maritime.