Pourquoi les échangeurs de chaleur en PTFE développent-ils des fuites de dérivation et comment sont-elles corrigées ?

Une fuite de dérivation n'est pas une fuite vers l'environnement extérieur, mais un fluide interne-coupé-coquille-côté qui s'écoule autour du faisceau de tubes au lieu de le traverser. Ce by-pass interne entraîne une perte de surface d'échange thermique et une diminution de l'efficacité de l'échangeur mais n'est pas visible de l'extérieur. Il est important de connaître les itinéraires et les causes des problèmes de fuite de dérivation de l'échangeur thermique en PTFE pour diagnostiquer la perte de performances et planifier des réparations réussies. Cet article traite des canaux de fuite courants, des causes de fuite et des étapes de réparation pour restaurer les performances thermiques.

Fuite de dérivation : qu'est-ce que c'est et pourquoi est-ce important ?
Dans un échangeur de chaleur à calandre-et-à tubes, le fluide côté calandre-est censé s'écouler à travers le faisceau de tubes, dirigé par des chicanes. Une fuite de dérivation se produit lorsqu'une partie de ce fluide ne touche pas les tubes, car elle s'écoule sur un chemin plus court et à faible résistance. Le fluide quitte l'échangeur avec un changement de température faible ou nul, ce qui diminue le taux de transfert de chaleur global.

Les fuites de dérivation sont nocives, en particulier pour les échangeurs de chaleur en PTFE qui ont déjà une conductivité thermique inférieure à celle des unités métalliques. Un débit de dérivation de 20 % peut réduire le coefficient de transfert de chaleur effectif de 25 à 35 % car le fluide dérivé ne participe pas à l'échange thermique. Le problème est interne et ne peut pas être détecté par une inspection visuelle externe ou des tests de pression, mais uniquement par une surveillance des performances thermiques ou un examen interne.

Chemins de fuite de dérivation primaire de l'échangeur de chaleur en PTFE
Le fluide côté coque-peut contourner le faisceau de tubes de trois manières différentes.

1. Regrouper-au-dégagement de la coque (contournement annulaire)
Il y a toujours un espace entre les tubes les plus extérieurs et la paroi intérieure de la coque. Cet espace annulaire est nécessaire à l'insertion et au retrait du faisceau de tubes. Cet espace est comblé dans un échangeur bien construit avec des bandes d'étanchéité (parfois appelées joints de dérivation) ou des tubes factices qui limitent le débit. Les bandes d'étanchéité sont souvent des barres d'acier plates ou des bandes remplies de PTFE- fixées aux déflecteurs, faisant saillie vers l'extérieur et entrant en contact avec la paroi de la coque.

Lorsque les bandes d'étanchéité sont manquantes, usées ou déchirées, le fluide côté calandre s'écoule facilement à travers l'espace annulaire sans pénétrer dans le faisceau de tubes. Il s'agit de la principale route de contournement.

2. Dégagement du déflecteur à la coque
Les chicanes ne s’insèrent pas bien dans la coque. Un petit jeu (généralement 1 à 3 mm) est prévu pour permettre l'assemblage et la dilatation thermique. Le liquide peut couler sur les bords de chaque déflecteur, en particulier sur le haut et le bas, là où se produit la coupure du déflecteur. Les fuites dans les échangeurs neufs sont modestes (2 à 5 % du débit total). Toutefois, si les chicanes sont endommagées, tordues, corrodées ou érodées, le jeu augmentera et le débit de dérivation augmentera considérablement.

Les coups de bélier (coup de bélier), les corps étrangers transportés dans le fluide côté calandre et la corrosion des composants métalliques des déflecteurs peuvent endommager les déflecteurs de l'échangeur thermique en PTFE (les tubes en PTFE eux-mêmes ne se corrodent pas, mais les déflecteurs métalliques et les plaques de support peuvent le faire).

3. Distance tube-déflecteur
Chaque déflecteur comporte un trou à travers lequel circule un tube en PTFE. Pour permettre le mouvement du tube flexible en PTFE et empêcher le grippage lors de la dilatation thermique, un espace de 0,2 à 0,5 mm est nécessaire. Ces petits trous annulaires peuvent permettre au fluide de s'échapper. Les fuites entre le tube et le déflecteur contribuent généralement peu au contournement dans la plupart des conceptions (généralement<5% of total bypass) due of the pressure drop across each baffle forcing flow down the many tube holes. However, the cumulative effect can be significant in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.

Raisons des échangeurs de chaleur à fuite de dérivation en PTFE
L'examen interne révèle généralement une ou plusieurs des conditions suivantes :

Coupe-froid usé ou manquant
Les bandes d'étanchéité sont fixées aux déflecteurs avec des vis, des clips ou des soudures. Les vis peuvent se desserrer avec le temps, les clips peuvent échouer ou les bandes elles-mêmes peuvent se corroder ou se dégrader. Dans certains lots de réparations sur site-, les bandes d'étanchéité peuvent ne pas avoir été réinstallées-après le remontage-du tube. Il est fréquent de constater que les bandes d'étanchéité ne sont présentes que sur quelques chicanes, voire totalement absentes.

Chicanes endommagées,
Les chicanes peuvent être brisées par :

Coup de marteau à vapeur – Des ondes de choc répétées peuvent plier ou briser les déflecteurs métalliques près des ouvertures des tubes.

Corrosion - Les déflecteurs en acier peuvent s'amincir et perdre leur forme en cas d'utilisation corrosive (même avec des tubes en PTFE) .

Impact mécanique - Les déflecteurs peuvent être pliés lors de l'insertion ou du retrait du faisceau s'ils ne sont pas correctement alignés.

Ne s'adaptant plus parfaitement à la coque, un déflecteur courbé crée un dégagement considérable. Un déflecteur cassé peut avoir des pièces manquantes qui permettront l'écoulement.

Grand dégagement de coque par rapport à la conception originale
Certains des échangeurs de chaleur en PTFE à faible coût-sont construits avec des jeux excessifs entre le faisceau-et-la coque pour faciliter la fabrication. Il peut y avoir un écart de 10 mm ou plus. Les bandes d'étanchéité sont manquantes ou trop petites. Dans ces situations, les fuites de dérivation sont une caractéristique de conception et ne peuvent être complètement éliminées sans une refonte majeure.

Comment diagnostiquer une fuite de dérivation sans ouvrir l'échangeur
Si une fuite de dérivation est suspectée :

Le taux de transfert de chaleur, calculé à partir des températures d'entrée/sortie et des débits, est bien inférieur au chiffre de conception, même si les tubes sont propres et qu'il n'y a pas de fuites extérieures.

La chute de pression côté coque est inférieure aux lectures historiques au même débit. Une chute de pression moindre signifie que le fluide s'écoule à travers un canal présentant moins de résistance (dérivation).

Le changement de température du fluide côté coque-(ΔT) n'est pas comme prévu et la température de sortie côté tube-est également hors cible.

Tout d'abord, il est essentiel d'exclure d'autres explications aux mauvaises performances : encrassement, non-condensables piégés ou débits inférieurs. Si ceux-ci disparaissent, il s’agit probablement d’une fuite de dérivation.

Contourner les actions correctives en cas de fuite
La réparation appropriée dépend de la gravité et de l’accessibilité du faisceau de tubes.

1. Remplacement des bandes d'étanchéité (solution la plus courante)
Pour les échangeurs à faisceaux de tubes amovibles, des bandes d'étanchéité peuvent être insérées ou retirées lors d'un arrêt programmé. Le processus est le suivant :

Le couvercle de la coque est retiré et le faisceau de tubes est retiré.

Les chicanes sont inspectées. Nettoyez les débris et la corrosion des rainures de la bande d'étanchéité existante.

De nouvelles bandes d'étanchéité (souvent du tissu imprégné de PTFE, des bandes à ressorts métalliques ou des barres solides en PTFE) sont coupées à la longueur requise et installées dans les fentes de chaque déflecteur. Les bandes doivent faire saillie pour entrer en contact avec la paroi interne de la coque avec un petit ajustement serré (compression de 0,2 à 0,5 mm).

Les bandes sont maintenues en place par des vis ou par martelage des bords du déflecteur (pour les bandes métalliques). Certains modèles maintiennent les bandes par la pression de la coque contre le déflecteur.

Le bundle est réinstallé et l'échangeur est testé.

Cette réparation récupère normalement 90 à 100 % des performances perdues si les chicanes ne sont pas endommagées.

2. Réparation ou remplacement du déflecteur
Les bandes d’étanchéité ne peuvent à elles seules réparer les déflecteurs pliés, fracturés ou corrodés. Les déflecteurs endommagés doivent être réparés ou remplacés. Pour les échangeurs thermiques en PTFE, les chicanes sont généralement en métal (acier inoxydable ou acier au carbone) qui peut être :

Redressé : les petits coudes peuvent être poussés à plat dans une presse hydraulique.

Soudé - Les fissures sont soudées et rectifiées. On prend soin de ne pas déformer le déflecteur.

Remplacé – Les déflecteurs gravement endommagés sont coupés du faisceau et de nouveaux déflecteurs sont enfilés sur les tubes PTFE. Il s'agit d'une opération à forte intensité de main d'œuvre, souvent effectuée lors d'un retubage complet.

Après la réparation du déflecteur, de nouvelles bandes d'étanchéité sont installées.

3. Shell-Ajustement du débit latéral (atténuation temporaire)
Pour les situations où un démontage immédiat n'est pas possible, des ajustements de fonctionnement peuvent compenser partiellement les fuites de dérivation. L'augmentation du débit côté calandre-augmente la vitesse à travers le faisceau de tubes et les espaces de dérivation. Étant donné que la chute de pression augmente avec le carré de la vitesse, un débit plus élevé peut améliorer la proportion de fluide qui traverse réellement les tubes. Cependant, cela ne résout pas la cause profonde et augmente l’énergie de pompage. Il s’agit uniquement d’une mesure temporaire.

4. Refonte pour les problèmes de dégagement graves
Dans les échangeurs présentant un jeu de coque intrinsèquement surdimensionné (mauvaise conception d'origine), il peut être tenté de les équiper ultérieurement de bandes d'étanchéité plus épaisses ou d'installer des tubes factices dans l'espace annulaire. Les tubes factices sont de courtes longueurs de tubes en PTFE placés dans les trous des tubes les plus à l'extérieur mais scellés aux extrémités de la plaque tubulaire afin qu'aucun fluide ne les traverse. Ils occupent de l'espace et bloquent le contournement. Cette approche nécessite de percer des trous supplémentaires dans les chicanes et les plaques tubulaires et est généralement effectuée par un atelier de réparation spécialisé.

-Description du diagramme en coupe (représentation textuelle)
La description suivante illustre les chemins de dérivation dans un échangeur de chaleur à coque-et-à tubes en PTFE typique, vu dans une coupe transversale- :

Le cercle extérieur représente la paroi intérieure de la coque.

À l’intérieur, un ensemble circulaire de petits cercles représente les tubes PTFE.

L'espace entre les cercles de tubes les plus à l'extérieur et la paroi intérieure de la coque constitue le jeu entre le faisceau-et-la coque (chemin de dérivation annulaire). Dans un échangeur bien conçu-, des bandes d'étanchéité (représentées sous la forme de petits rectangles attachés au déflecteur) font saillie dans cet espace, touchant presque la paroi de la coque.

Un déflecteur est représenté par une ligne horizontale traversant l'intérieur de la coque, avec des découpes (la fenêtre du déflecteur) en haut et en bas. Le fluide qui s'écoule autour des bords du déflecteur-à travers le déflecteur-jusqu'au-espace libre de la coque-est représenté par des flèches passant entre l'extrémité du déflecteur et la paroi de la coque.

Les petites flèches entre les tubes individuels et le déflecteur représentent les fuites entre les tubes-et-le déflecteur.

Les bandes d'étanchéité bloquent le by-pass annulaire. En cas d'absence, les grandes flèches indiquent un écoulement libre à travers l'espace annulaire.

Prévention des fuites de dérivation
Il est préférable d'éviter les fuites de dérivation lors de la conception et de l'assemblage initial :

Spécifiez la construction TEMA de classe R ou B – Ces normes définissent les dégagements maximaux et exigent des bandes d'étanchéité pour les diamètres de coque supérieurs à une certaine taille.

Utilisez des bandes d'étanchéité doubles – Deux rangées de bandes d'étanchéité par déflecteur assurent la redondance.

Inspectez les bandes d’étanchéité pendant le retubage – Toutes les bandes manquantes ou endommagées sont remplacées avant le remontage.

Évitez les coups de bélier – Comme indiqué dans les guides connexes, les coups de bélier endommagent les déflecteurs et desserrent les fixations des bandes d’étanchéité.

Une inspection interne périodique (tous les 3 à 5 ans) doit inclure la vérification de l'étanchéité des bandes d'étanchéité et de l'état des déflecteurs. Si une fuite de dérivation est suspectée plus tôt, un test de chute de pression à un débit connu peut être comparé aux données de référence.

Conclusion
Les fuites de dérivation sont un problème de conception et de maintenance qui dégrade silencieusement les performances de l'échangeur thermique en PTFE. Les chemins principaux sont le faisceau-vers le-dégagement de la coque (contournement annulaire) et le déflecteur-vers-le dégagement de la coque. Les bandes d'étanchéité manquantes ou usées et les déflecteurs endommagés sont les causes les plus courantes. L'inspection interne révèle souvent ces problèmes. Les actions correctives comprennent le remplacement des bandes d'étanchéité, la réparation ou le remplacement des déflecteurs endommagés et, à titre temporaire, l'augmentation du débit côté coque. En cas de problèmes de dégagement graves, des tubes factices ou une refonte peuvent être nécessaires. Un problème de fuite de dérivation sur l'échangeur thermique en PTFE peut réduire le transfert de chaleur de 10 à 30 %, mais la plupart des cas sont entièrement corrigibles lors d'une panne planifiée. Une fabrication appropriée avec des bandes d'étanchéité adéquates et une inspection interne périodique préserve l'efficacité thermique et prolonge la durée de vie.