Encrassement des échangeurs de chaleur est l'accumulation progressive de dépôts indésirables, d'incrustations, de films biologiques ou de produits de corrosion sur une surface d'échange thermique, et c'est l'un des voleurs d'énergie les plus discrets sur le plancher d'une usine parce que l'échangeur continue de fonctionner pendant qu'il perd lentement en capacité.
La solution n'est pas mystérieuse (le nettoyer selon un calendrier déterminé par les données, et non par la date) mais la plupart des usines ne découvrent qu'un échangeur est encrassé qu'après une hausse des factures d'énergie ou lorsqu'un procédé en aval commence à fonctionner à une température élevée.
Une couche de dépôt se trouve entre le fluide de procédé et la paroi du tube ou de la plaque et agit comme une résistance thermique ajoutée en série avec la paroi, les coefficients de film et toute incrustation existante.
Les ingénieurs quantifient cela par un terme de résistance à l'encrassement, Rf, défini comme Rf = 1/Ud − 1/Uc, où Ud est le coefficient global de transfert thermique « sale » (en service) et Uc est le coefficient propre mesuré ou prévu pour une surface neuve, non encrassée.
À mesure que les dépôts s'accumulent, Ud diminue, Rf augmente, et l'échangeur a besoin d'une plus grande force motrice de température (LMTD) ou d'une plus grande surface pour fournir la même charge.
Comme la surface installée est fixe, le résultat pratique est une température de sortie croissante du fluide que vous tentez de refroidir, ou une température de sortie décroissante du fluide que vous tentez de chauffer.
Les chercheurs en encrassement (la classification remonte aux travaux d'Epstein sur les catégories d'encrassement) regroupent généralement les dépôts en cinq mécanismes, souvent présents simultanément dans la même unité :
La température d'approche (l'écart entre la sortie du fluide de procédé et l'entrée du fluide utilitaire, ou inversement) est l'un des indicateurs les plus directs de l'encrassement.
Un échangeur propre fonctionne à sa température d'approche de conception; à mesure que la couche d'encrassement s'accroît, l'écart s'ouvre parce que la chaleur ne traverse plus la paroi aussi efficacement. Pour une charge de refroidissement, cela signifie que le flux refroidi sort plus chaud que prévu aux mêmes conditions de débit et d'utilitaire.
Pour maintenir le point de consigne du procédé, les opérateurs compensent généralement en augmentant le débit de refroidissement, en abaissant la consigne de l'eau glacée ou en ouvrant un by-pass, ce qui coûte en énergie de pompe, d'armoire frigorifique ou les deux.
Les pratiques de conception intègrent déjà une tolérance d'encrassement (les valeurs de résistance à l'encrassement référencées par la TEMA pour les services typiques, tels que l'eau de tour de refroidissement traitée ou les hydrocarbures légers
sont couramment de l'ordre de quelques dix-millièmes à quelques millièmes (heure·ft²·°F/Btu)) plus environ 15 à 25 % de surface excédentaire, précisément pour que l'unité puisse absorber une quantité connue d'encrassement avant que les performances ne tombent en dessous des spécifications.
Une fois que l'encrassement dépasse cette tolérance de conception, la consommation énergétique supplémentaire devient un coût direct et continu plutôt qu'un événement ponctuel.
La façon la plus fiable de détecter l'encrassement tôt est de suivre l'évolution du coefficient global de transfert thermique, et pas seulement la température de sortie, car U prend en compte les variations de débit et de LMTD qui peuvent masquer une vraie tendance d'encrassement si vous ne surveillez qu'un seul delta-T. Une approche de surveillance pratique :
Ce type de suivi est la même discipline utilisée pour la surveillance des vibrations et de l'état thermique ailleurs sur la ligne. Si vous suivez déjà la santé des moteurs et des paliers avec la thermographie ou l'analyse vibratoire, étendre la même habitude d'enregistrement de données au delta-T des échangeurs revient peu et permet de détecter l'encrassement des mois avant qu'un audit énergétique ne le révèle.
Lorsque le suivi montre que Ud s'est dégradé au-delà d'un seuil acceptable, ou que la température d'approche a dépassé ce que le procédé peut tolérer, le nettoyage est la réponse standard. Les trois grandes catégories :
| Méthode | Idéal pour | Remarques |
|---|---|---|
| Nettoyage mécanique (tiges, brossage, nettoyeurs de tubes à turbine) | Particules libres, incrustation molle, boues à l'intérieur des tubes | Nécessite généralement l'ouverture de l'échangeur ; efficace mais exigeant en main-d'œuvre |
| Hydroblasting (jet d'eau à haute pression) | Incrustations dures, dépôts généraux côté tube et côté coquille | Sans produits chimiques ; peut être effectué lors d'un arrêt de maintenance sans démonter chaque faisceau |
| Nettoyage chimique (circulation d'acide ou d'alcali) | Incrustations minérales, produits de corrosion, certains biofilms | Peut être réalisé en ligne ou hors ligne ; nécessite une métallurgie compatible et une neutralisation/élimination appropriée |
Le bon choix dépend du mécanisme d'encrassement identifié par le suivi et l'inspection, c'est pourquoi diagnostiquer le mécanisme (entartrage versus biologique versus particulaire) avant de choisir une méthode de nettoyage permet d'économiser à la fois coûts et temps d'arrêt.
Nettoyer trop tôt gaspille un arrêt; nettoyer trop tard signifie que l'usine a déjà payé des mois d'énergie supplémentaire et, dans le pire des cas, risque une perte complète du contrôle de la charge.
L'encrassement ne se produit pas isolément. Un mauvais traitement de l'eau qui laisse se former des incrustations est souvent le même problème de chimie d'eau qui provoque des dommages par cavitation sur les pompes alimentant l'échangeur, et les deux problèmes apparaissent ensemble comme une hausse inexpliquée des coûts énergétiques.
Réduire les pertes évitables comme l'encrassement, ainsi que les inefficacités des moteurs et des pompes, fait partie de la même discipline couverte par des stratégies de réduction des coûts énergétiques en fabrication , et s'accorde naturellement avec une posture de maintenance préventive plutôt que réactive sur les équipements rotatifs et statiques.
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Le facteur d'encrassement (résistance à l'encrassement, Rf) est la résistance thermique ajoutée causée par des dépôts sur une surface d'échange thermique, calculée comme Rf = 1/Ud − 1/Uc, où Ud est le coefficient global de transfert thermique réel en service et Uc est le coefficient pour une surface propre.
Les tables de conception (référencées par la TEMA) attribuent des valeurs typiques de Rf selon le type de fluide afin que les ingénieurs puissent dimensionner une marge pour l'encrassement prévu.
À mesure que la couche d'encrassement s'épaissit, le coefficient global de transfert thermique diminue, si bien que l'échangeur nécessite une différence de température plus importante ou un débit plus élevé pour fournir la même charge.
Cela signifie typiquement plus de débit de refroidissement, plus d'énergie de chiller ou de chaudière, ou une sortie de procédé plus chaude que la conception, ce qui se traduit par une consommation d'utilitaires plus élevée pour le même débit de production.
Il n'existe pas d'intervalle universel ; le bon déclencheur, ce sont les données, pas un calendrier. Suivez l'évolution du coefficient global de transfert thermique ou de la température d'approche dans le temps et procédez au nettoyage lorsqu'ils franchissent un seuil prédéfini en dessous du facteur de propreté de conception, plutôt que de fixer une date de nettoyage à l'avance indépendamment de l'état réel.
Pas complètement, mais on peut le ralentir significativement avec un traitement de l'eau approprié (pour limiter l'entartrage et le biofouling), des vitesses de fluide adéquates pour réduire la sédimentation particulaire, et des choix de matériaux ou de revêtements adaptés au risque de corrosion du service spécifique. Les tolérances d'encrassement en conception et les calendriers de nettoyage périodiques existent précisément parce qu'un certain encrassement est attendu même avec de bonnes pratiques.
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