Quelle est l'épaisseur maximale autorisée de paroi de gaine en acier inoxydable 316 pour un thermoplongeur à faible densité-watt-fonctionnant dans une huile thermique stagnante à haute-température supérieure à 150 degrés Celsius ?

Les ingénieurs de procédés chargés de la maintenance des systèmes de fluide caloporteur dans les usines chimiques, les opérations de moulage de plastique et les installations de transformation des aliments sont confrontés à un ensemble unique de contraintes lors de la sélection de thermoplongeurs électriques pour le service d'huile thermique. Les systèmes à base d'eau ont des densités de puissance très élevées en raison de leurs forts coefficients de transfert de chaleur, tandis que les huiles thermiques ont de très mauvaises qualités de transfert de chaleur, environ un dixième à un vingtième de celles de l'eau. Dans des situations de stagnation ou de faible débit, l'huile en contact avec la gaine du réchauffeur peut être chauffée à des températures bien supérieures à la température du fluide en vrac, ce qui entraîne une détérioration thermique, une cokéfaction et une éventuelle panne du réchauffeur. L'épaisseur de la paroi de la gaine en acier inoxydable 316 est d'une importance cruciale pour ce mécanisme de défaillance, car la température de la surface extérieure est fonction de l'épaisseur de la paroi pour une densité de watt particulière. Les limitations publiées en matière de dégradation de l'huile et les principes de transfert de chaleur sont utilisés pour définir l'épaisseur de paroi maximale acceptable pour 316 gaines en service d'huile thermique à faible-watt-densité et haute-température.

Mécanismes de dégradation de l’huile thermique et limites de température de surface
Les huiles thermiques sont des fluides organiques qui, à des températures trop élevées, peuvent subir des fissures thermiques et une oxydation. La température maximale autorisée du film (température à l'interface huile-gaine) dépend de la chimie de l'huile, mais se situe normalement entre 250 et 350 degrés pour les huiles minérales et entre 320 et 400 degrés pour les huiles aromatiques synthétiques. Au-delà de ces températures, on observe une production accélérée de polymères insolubles, de dépôts carbonés et de sous-produits caustiques. Lorsqu'un revêtement de coke ou de polymère existe sur la surface de la gaine, la surface de la gaine fonctionne comme une barrière isolante, augmentant encore la température de la gaine et accélérant la dégradation dans un cycle incontrôlable. Pour les gaines en acier inoxydable 316 immergées dans de l'huile thermique stagnante, la température de surface est calculée comme T_s=T_b + (q× R_s) où T_b est la température globale, q est la densité de watt et R_s est la résistance totale du système, qui est la somme de la résistance conductrice de la paroi de la gaine et de la résistance convective de la couche limite d'huile. Dans l'huile stationnaire, la résistance convective est la plus importante et elle est extrêmement non linéaire en raison de la faible convection naturelle et de la grande variation des caractéristiques de l'huile avec la température. L'expérience de l'industrie a montré que la majorité des huiles minérales peuvent être utilisées en toute sécurité jusqu'à une température de surface de la gaine de 316 degrés et les huiles synthétiques de haute qualité jusqu'à 320 degrés. Ces contraintes se traduisent directement par une densité de watts maximale autorisée pour une épaisseur de paroi particulière.

Effet de l'épaisseur de paroi sur la température de surface du pétrole au repos
À une densité de watts donnée, l'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la gaine 316 augmente la température de la surface extérieure du même montant que la résistance thermique supplémentaire. L'augmentation de température de la masse à la surface de la gaine est calculée pour une huile stationnaire à une température globale de 150 °C et un coefficient de transfert de chaleur par convection naturelle d'environ 200 W/m2K-typique des huiles modérément visqueuses. Une gaine 316 de 1,0 mm à 4 W/cm² donne une température de surface d'environ 235 degrés, bien en dessous de la limite de l'huile minérale de 260 degrés. Le même radiateur, mais avec une gaine de 1,6 mm, atteint 255 degrés, se rapprochant de la limite. Avec une gaine de 2,0 mm, la température de surface est de 270 degrés, ce qui dépasse la limite autorisée pour la plupart des huiles minérales. Avec une épaisseur de paroi de 2,5 mm, la température de surface est de 290 degrés, ce qui accélère la détérioration et la cokéfaction de l'huile. Épais... Pour les huiles synthétiques, limite de 320 degrés C. À 4 W/cm 2, une gaine de 2,0 mm produit 270 degrés, bien en dessous de la limite de l'huile synthétique. Même une gaine de 2,5 mm à 4 W/cm² ne donne qu'un rendement de 290 degrés, ce qui reste acceptable pour des synthétiques de bonne qualité. Cependant, à mesure que la température de l'huile augmente jusqu'à 180 ou 200 degrés, la température de la surface augmente en conséquence et l'épaisseur de paroi maximale acceptable diminue.

Épaisseur de paroi maximale recommandée pour le service d'huile thermique
Le tableau ci-dessous suggère un maximum de 316 épaisseurs de paroi de gaine pour les thermoplongeurs à faible-densité de watts utilisés dans un service d'huile thermique stationnaire ou à faible-débit. Les valeurs sont pour un fonctionnement continu, une huile propre sans détérioration préalable et avec un tampon de sécurité de 15 degrés en dessous de la température maximale du film indiquée par le fabricant.

Type d'huile thermique Température maximale de l'huile en vrac Plage de densité en watts recommandée 316 maximum Épaisseur de paroi de la gaine Risque de cokéfaction attendu
Huile minérale de qualité standard 120 degrés 3 – 5 W/cm² 1,6 mm Faible à 1,6 mm ; modéré au-dessus
Qualité standard 150 degrés 2 – 4 W/cm² 1,2 mm Modéré à 1,2 mm ; bien au-dessus
Huile minérale, haute température 180 degrés 1,5 – 3 W/cm 2 1.0 mm Risque élevé, envisager une huile synthétique
Huile aromatique synthétique 150 degrés 3 – 6 W/cm² 2,0 mm Faible à 2,0 mm ; modéré à 2,5 mm
Huile aromatique synthétique 200 degrés 2 – 4 W/cm² 1,6 mm Doux à 1,6 mm ; sévère à 2,0 mm
Huile aromatique synthétique 250 degrés 1 – 2,5 W/cm² 1,2 mm Danger élevé ; nécessite une surveillance continue
Huile aromatique synthétique avec débit 200 degrés 4 – 8 W/cm2 2.0 mm Faible risque avec circulation forcée
Dans toutes les applications d'huile thermique où la température globale est supérieure à 150 degrés et l'épaisseur de la paroi de la gaine est supérieure à 1,6 mm, les ingénieurs doivent demander au fabricant du réchauffeur de fournir une étude thermique qui calcule la température exacte de la surface extérieure en fonction des paramètres de transfert de chaleur donnés de l'huile. Dans ces contextes, les recommandations génériques ne suffisent pas. De plus, la protection la plus fiable contre la détérioration de l'huile est assurée par un thermocouple directement monté sur la surface de la gaine. Si la température de la gaine enregistrée est proche de la température maximale du film de l'huile, la densité en watts du réchauffeur doit être réduite ou la circulation de l'huile augmentée. Un choix prudent de l’épaisseur de paroi est une proposition économique. Les dépenses liées au remplacement de l'huile cokéfiée et au nettoyage d'un appareil de chauffage encrassé sont souvent cinq à dix fois supérieures au coût de l'appareil de chauffage.