Comment détecter et mesurer l'épaisseur d'un biofilm à l'intérieur d'un tube d'échangeur de chaleur en PTFE ?

Lorsqu'elle est utilisée avec de l'eau de rivière chaude, des condensats recyclés ou des flux de processus riches en nutriments, une couche biologique visqueuse peut se développer lentement sur les parois du tube interne d'un échangeur de chaleur en PTFE. Ce biofilm est généralement inoffensif aux premiers stades de sa formation puisque les changements de chute de pression sont très mineurs. Cependant, les performances thermiques peuvent se détériorer rapidement lorsque la couche vivante forme une couverture isolante entre le fluide de procédé et la paroi du tube. Cette couche biologique cachée peut désormais être mesurée directement à l'intérieur de l'échangeur à l'aide d'instruments d'inspection modernes, faisant passer la planification de la maintenance d'une estimation à une analyse quantitative.

Le problème de l’examen des tubes échangeurs en PTFE pour l’évaluation de l’épaisseur du biofilm est de détecter une couche molle et transparente qui peut n’avoir que quelques dizaines ou centaines de microns d’épaisseur alors que l’échangeur est en grande partie intact.

Pourquoi le biofilm est un véritable problème thermique
Les biofilms sont des populations de micro-organismes organisés dans une matrice de substances polymères qu'ils fabriquent eux-mêmes et qui se fixent sur une surface.

Les biofilms ont tendance à s’accumuler dans les tubes échangeurs en PTFE lorsque :

Il y a de l'eau chaude

Nutriments disponibles

Il existe des zones de stagnation des flux.

Développement de films de conditionnement de surface

La couche biologique peut avoir :

Bactéries

CHAMPIGNON

Algue.

Matière biologique

Grains minéraux

La diminution des performances thermiques peut être substantielle même pour des biofilms relativement minces, car le matériau biologique a une mauvaise conductivité thermique par rapport à l'eau en mouvement.

Le biofilm est souvent mou et poreux, contrairement au tartre minéral dur. Cela suggère qu'il ne peut y avoir d'augmentation significative de la chute de pression de l'échangeur jusqu'à ce que la gravité de la croissance devienne élevée.

Cette caractéristique rend difficile la détection de la dépréciation thermique avec la seule surveillance hydraulique typique.

Pourquoi des biofilms peuvent encore se former sur les tubes en PTFE
Le PTFE a une surface lisse et résistante aux produits chimiques qui empêche l’encrassement par de nombreuses substances. Cependant, aucune surface d’échangeur thermique industriel n’est à l’abri d’une prolifération biologique.

A terme, des couches de conditionnement à base de molécules organiques pourraient permettre aux micro-organismes de se fixer sur la paroi du tube.

Une fois développé, le biofilm pourrait continuer à se développer à mesure que les nutriments traversent l’échangeur.

Le développement de biofilms est particulièrement répandu dans les systèmes présentant :

Eau pour le refroidissement

Eaux usées

Récupération des condensats

L'eau de la rivière

Filières de transformation des aliments

Circuits thermiques faible débit

La douceur intrinsèque des surfaces en PTFE peut permettre aux premiers biofilms d'être visuellement discrets, mais a néanmoins un impact important sur le transfert de chaleur.

Pourquoi l’épaisseur du biofilm est-elle importante ?
Nettoyage prématuré d’un échangeur thermique inutile :

Nettoyeurs (ménagers)

Eau.

Temps de pause

Travail 1.

Capacité de fabrication

Si vous attendez trop longtemps, vous pouvez obtenir :

perte de chaleur élevée

Consommation d’énergie plus élevée

Contamination biologique

Stabilité du processus inférieure

Taux d'encrassement plus élevé

La mesure directe de l’épaisseur du biofilm fournit une base objective pour planifier la maintenance.

Au lieu de simplement :

Tendances en matière de chute de pression

Changements de température de sortie

Heures d'ouverture environ

A l'intérieur de l'échangeur, le personnel de maintenance est en mesure d'évaluer l'épaisseur réelle de la couche biologique.

Cela conduit à des décisions de nettoyage plus efficaces et-basées sur des données.

Inspection par tomographie par cohérence optique (OCT)
La tomographie par cohérence optique (OCT) est l'une des techniques les plus modernes pour mesurer l'épaisseur du biofilm et évaluer l'évaluation des tubes échangeurs en PTFE.

Comment se déroule l'OCT
L'OCT est une technique qui utilise la lumière proche-infrarouge pour obtenir des images en coupe transversale-haute résolution de surfaces et de matériaux semi-transparents.

La technologie est analogue aux technologies d’imagerie médicale utilisées en ophtalmologie et en diagnostic endoscopique.

Une minuscule sonde OCT flexible est introduite dans un tube échangeur isolé et nettoyé

La sonde scanne la paroi intérieure et les signaux lumineux réfléchis sont traités pour créer des images transversales-complètes.

Voir la couche de biofilm
Le système OCT peut différencier :

Paroi tubulaire en PTFE

Couche de biofilm

Interface d'écoulement de liquide

L'approche génère des images structurelles extrêmement claires car les biofilms sont semi-translucides.

Une biopsie optique de l’intérieur du tube peut être réalisée sans retirer physiquement le dépôt.

Cette image générée permet la mesure directe et précise de l’épaisseur du biofilm.

Capacités de résolution.
Les systèmes OCT ont généralement une résolution axiale de quelques microns seulement.

Cela permet une détection facile des biofilms d’une épaisseur supérieure à environ 50 microns.

Dans de nombreux systèmes industriels, des couches biologiques encore plus fines peuvent être détectées avant qu’une grave détérioration thermique ne se produise.

Avantages de l'OCT
Les avantages comprennent :

Mesure non-destructive

Haute résolution spatiale

Imagerie en direct

Mesurer l'épaisseur

Echangeur, démontage minimum de

Cette approche est particulièrement utile pour les systèmes de recherche, pharmaceutiques, de semi-conducteurs et de haute pureté-où la gestion des biofilms est essentielle.

Mesure par ultrasons de l'épaisseur du biofilm
L'inspection par ultrasons est une procédure plus simple et plus-utilisable sur le terrain.

Principes ultrasoniques
Des ondes ultrasonores à haute fréquence sont envoyées à travers la paroi du tube PTFE.

Le son acoustique frappe des interfaces entre des matériaux de différentes densités, une partie du signal rebondissant vers le capteur.

Les réflexions peuvent être obtenues dans des conditions appropriées :

Mur en PTFE

La couche de biofilm

Le contact du biofilm avec l'eau

Le timing et l’amplitude du signal peuvent parfois être analysés pour évaluer l’épaisseur du biofilm.

Dispositions des sondes
La sonde ultrasonore est généralement appliquée sur la paroi externe du tube, et l'échangeur est plein ou partiellement immergé.

Le PTFE a un comportement acoustique distinct par rapport aux métaux et nécessite un étalonnage minutieux.

La meilleure sensibilité pour les couches biologiques molles est généralement obtenue avec des jauges à ultrasons adaptées à l'immersion à haute fréquence-.

Limites
Défis de la mesure ultrasonique des biofilms :

Reflète faiblement les biofilms mous et sonores

Le PTFE absorbe l'énergie ultrasonique

Les dépôts irréguliers fournissent des signaux bruyants

Nonobstant ces restrictions, les technologies ultrasoniques sont souhaitables pour les raisons suivantes :

Plus rapide

Peu invasif

Coût réduit

Plus mobile

Les approches ultrasoniques peuvent être suffisamment précises pour la prise de décision en matière de maintenance pour le dépistage de routine sur le terrain.

Importance de la propreté et de la stérilité de la sonde
Les sondes de contrôle doivent être nettoyées ou stérilisées avant leur insertion dans l'échangeur.

Cette précaution permet de prévenir :

Contamination croisée

Introduction de micro-organismes-étrangers

Contamination du processus

Conditions microbiologiques perturbées

La propreté de la sonde est particulièrement importante dans les environnements pharmaceutiques, de semi-conducteurs ou de fabrication alimentaire.

Une manipulation incorrecte peut affecter l’intégrité du processus et la fiabilité des mesures.

Application des données pour la planification de la maintenance
Les mesures prises sur de nombreux tubes fournissent une image plus réaliste de l'état de l'échangeur.

La croissance du biofilm est rarement constante sur l’ensemble du faisceau.

Les zones qui semblent présenter un risque d'encrassement plus élevé sont souvent :

Zones à faible vitesse

Zones mortes

Points chauds

Perturbations d'entrée

La surveillance de l’évolution de l’épaisseur du biofilm au fil du temps peut aider à optimiser plus efficacement les calendriers de maintenance.

Avantages :

Moins de nettoyage inutile

Consommation de produits chimiques réduite

Performances de transfert de chaleur améliorées

Disponibilité améliorée des échangeurs

• Coûts opérationnels réduits

Le choix d'effectuer la maintenance est-fondé sur des preuves et non sur une réaction.

Relation entre l'épaisseur du biofilm et les performances thermiques
Les biofilms peuvent agir comme couches d’isolation thermique.

Avec une épaisseur croissante :

La résistance thermique augmente

Réduit le coefficient de transfert de chaleur

L'efficacité de l'échangeur chute

Le matériel biologique étant un mauvais conducteur de chaleur, même des films biologiques relativement minces peuvent induire une pénalité thermique considérable.

Par conséquent, le lien entre l’épaisseur du biofilm et la détérioration due à la chaleur est généralement non-linéaire.

Trouver le problème à temps permet d'éviter que l'échangeur ne soit tellement encrassé que ses performances en pâtissent.

L'avenir du-diagnostic in situ de l'encrassement
Des méthodes d'inspection sont en cours de développement pour améliorer la capacité d'évaluer l'encrassement des échangeurs sans mettre les équipements hors service.

Les développements futurs possibles comprennent :

Scanners de tubes robotisés automatisés

Surveillance dans l'optique

Biocapteurs embarqués

Analyse de l'encrassement avec l'assistance de l'IA

Cartes de santé des échangeurs en direct

À mesure que les systèmes de maintenance deviennent de plus en plus prédictifs, l'évaluation directe du biofilm-in situ pourrait devenir un élément courant de la gestion des échangeurs de chaleur industriels.

Résumé
La formation de biofilm à l'intérieur des tubes d'échangeur de chaleur en PTFE génère une résistance thermique cachée qui peut dégrader considérablement l'efficacité de l'échangeur bien avant que des changements de chute de pression ne deviennent perceptibles. De tels dépôts biologiques peuvent désormais être évalués directement in-situ à l'aide de techniques telles que la tomographie par cohérence optique et l'examen ultrasonique spécifique.

L'examen des mesures de l'épaisseur du biofilm des tubes échangeurs de PTFE fournit une base quantitative pour la planification de la maintenance, permettant de prendre des décisions de nettoyage sur la base d'une accumulation réelle de dépôts, plutôt que sur des hypothèses ou des intervalles fixes. Les technologies OCT peuvent imager le biofilm avec une résolution micrométrique et séparer les différentes couches de biofilm. Les techniques ultrasoniques sont plus simples et peuvent être utilisées sur le terrain pour une surveillance continue.

La quantification de l'évaluation de l'encrassement en tant que procédure de diagnostic permet d'optimiser le nettoyage de l'échangeur afin de maintenir l'efficacité thermique et de réduire l'utilisation de produits chimiques inutiles et les temps d'arrêt. La connaissance de l'épaisseur de la couche biologique initie généralement la régulation de la couche biologique en maintien thermique.