Kako se faktor onečišćenja PTFE izmjenjivača mijenja s hrapavošću površine cijevi?

Nanorazmjerna hrapavost stijenke cijevi je vitalno bojno polje u ratu protiv onečišćenja na izmjenjivačima topline. Gruba površina je pejzaž vrhova i dolina, koji pruža milion sićušnih, zaštićenih mjesta kupovine za kristale i ljepljive biofilmove za koje se mogu uhvatiti. Polirana, zrcalno ravna površina, u poređenju, pruža mnogo manje uporišta. Dakle, faktor zagađivanja, termička kazna koju je ubacio dizajner da bi objasnio ovu neizbježnu prljavštinu, osjetljiv je na početnu hrapavost površine cijevi. Ali kada se radi o PTFE-u, sve cijevi su već vrlo klizave.

U radu se raspravlja o odnosu između različitog faktora onečišćenja i hrapavosti površine PTFE cijevi u usporedbi s metalnim cijevima i zašto PTFE-u svojstvena glatkoća čini poliranje suvišnim.

Razumijevanje faktora onečišćenja
Šta znači faktor onečišćenja
Faktor onečišćenja (obično predstavljen kao ��Rf​ u dizajnu izmjenjivača topline) je dodatni toplinski otpor koji se koristi za ukupni proračun prijenosa topline kako bi se uračunao progresivni razvoj naslaga na površini prijenosa topline. Ove naslage – kamenac, sediment, biološki razvoj ili proizvodi hemijske reakcije – stvaraju dodatni sloj izolacije koji vremenom smanjuje efikasnost izmenjivača. Faktor zagađivanja je dat u jedinicama m 2 K/W i dodaje se zbiru ostalih toplinskih otpora (zid cijevi, fluidni filmovi) kako bi se dobio projektni ukupni koeficijent prijenosa topline (vrijednost U-).

Standardi dizajna poput onih koje je objavilo Udruženje proizvođača cevnih izmjenjivača (TEMA) određuju faktore onečišćenja za različite tekućine i materijale cijevi. Ove smjernice su rezultat desetljeća industrijskog iskustva s metalnim cijevima (ugljični čelik, nehrđajući čelik, admiralski mesing, itd.). Ako se zna da površina cijevi pospješuje prianjanje naslaga, tada se primjenjuje veći faktor onečišćenja za datu tekućinu i uslugu.

Utjecaj hrapavosti površine na onečišćenje
Zaprljanost zavisi od hrapavosti površine, kao što je opšte poznato. gruba površina:

Povećava efektivnu površinu za nukleaciju naslaga

Mehaničke lokacije za spajanje kristala ili biofilmova za sidrenje.

Stvara stacionarne zone u površinskim koritima gdje se može razviti lokalizirana prezasićenost i mikrobiološki rast.

Naslage su skrivene u udubljenjima zaštićenim od glavnog toka, čime se usporava smicanje uklanjanja naslaga protokom fluida.

Stoga, za datu tekućinu i brzinu protoka, cijev s nižom (glađom) hrapaošću površine će imati nižu stopu zarastanja i nižu ravnotežnu otpornost na zarastanje. Ovo vrijedi i za metalne i za polimerne cijevi.

Prirodna hrapavost površine PTFE-a
Kao-Ekstrudirana PTFE cijev: glatka od početka
PTFE cijevi se obično proizvode ekstruzijom ili ljuštenjem (ljuštenjem) iz gredice. Rezultirajuća površina je prirodno vrlo glatka. Uobičajene prosječne vrijednosti hrapavosti površine (Ra) za ekstrudirani PTFE kao - su sljedeće:

Standardna ekstrudirana PTFE cijev Ra=0.2 – 0,5 mikrometara (µm)

Izrezana PTFE cijev: Ra=0.4 – 0,8 µm (malo grublje zbog postupka rezanja)

Za poređenje, hrapavost površine tipičnih metalnih cijevi koje se koriste u radu izmjenjivača topline je:

Bešavna cijev od nerđajućeg čelika (kako je nacrtana) Ra=0.8 – 1,5 µm

Bešavna cijev od ugljičnog čelika (-nacrtano): Ra=1.0-2.5 µm

Čelična cijev, zavarena, unutrašnje čišćenje: Ra=2.0 – 5,0 µm (ili više)

Mehanički polirana cijev od nehrđajućeg čelika, Ra=0.1 - 0.3 µm (nakon skupe završne obrade)

Dakle, čak i -ekstrudirana PTFE cijev tipično ima površinsku hrapavost uporedivu sa poliranom metalnom cijevi. PTFE počinje život sa staklenom-glatkom kožom koja je već decenijama ispred u ratu protiv najgrublje metalne površine sa najgrubljem metalnom površinom.

Opcija poliranja PTFE
PTFE se može dodatno polirati mehanički (koristeći fina abrazivna sredstva) ili plamenim poliranjem (otapanjem površine da bi stekla glatku završnu obradu). Ra PTFE cijevi može se polirati do 0,05 – 0,1 µm. Međutim, ova tehnika povećava troškove i može utjecati na toleranciju dimenzija cijevi. Osim toga, malo je praktične prednosti u poliranju PTFE-a jer je početna površina već toliko glatka da je marginalno poboljšanje zaprljanja relativno malo.

Utjecaj hrapavosti PTFE površine na faktor onečišćenja
Mala razlika između standardnog i poliranog PTFE-a
Za određeni procesni fluid i radno stanje, smanjenje faktora onečišćenja postignuto poliranjem PTFE cijevi od Ra=0.4 µm do Ra=0.1 µm je obično minimalno, često manje od 5-10% ukupne otpornosti na zaprljanje. To je zato što je stopa zarastanja već prilično niska na normalnoj PTFE površini. Ostale naslage su uglavnom hemijski vezane ili one formirane od prezasićenih fluida gde površinska energija, a ne hrapavost, pokreće adheziju.

U većini dizajna izmjenjivača razlika u potrebnoj količini zaprljanja između konvencionalne PTFE cijevi i polirane je toliko mala da spada u sigurnosnu granicu izračuna. Stoga se polirane PTFE cijevi rijetko koriste u industrijskoj praksi samo za upravljanje onečišćenjem. Standardne ekstrudirane PTFE cijevi se obično smatraju dovoljno glatkim.

Mnogo veća razlika: PTFE naspram metala
Veliki porast performansi zagađivanja nije između normalnog i poliranog PTFE-a, već između bilo koje PTFE cijevi i bilo koje metalne cijevi. Za tipičnu vodu u kojoj se formira kamenac od kalcijum karbonata, faktor onečišćenja koji preporučuje TEMA za cijev od ugljičnog čelika može biti 0,00035 m 2 K/W (za čistu riječnu vodu) do 0,00088 m 2 K/W (za vodu rashladnog tornja). Fluoropolimeri nisu posebno navedeni u TEMA iako se za PTFE cijev često koristi projektni faktor onečišćenja od 0,00009 – 0,00018 m2·K/W. Ovo smanjenje od 50-80% uzrokovano je kombinovanim dejstvom dva faktora:

Ultra-mala površinska hrapavost - PTFE nema pukotine ili izbočine za zadržavanje naslaga.

Veoma niska površinska energija - PTFE nije-neljepljiv. Naslage imaju vrlo nisku adhezivnu silu i mogu se lako ukloniti smicanjem tečnosti.

Drugi faktor, površinska energija, obično je važniji od same hrapavosti. Čak i savršeno glatka metalna površina ima visoku površinsku energiju koja pogoduje hemijskom vezivanju polarnih molekula (voda, joni i organska jedinjenja, npr.), koji kasnije deluju kao prajmeri za dodatno taloženje kamenca. Niska površinska energija PTFE (18–20 mN/m naspram 30–50 mN/m za nehrđajući čelik) znači da se naslage, ako se pojave, slabo prianjaju i mogu se ukloniti umjerenim protokom.

Praktične implikacije dizajna
TEMA parametri onečišćenja i PTFE
TEMA standardne tabele faktora onečišćenja ne uključuju PTFE. Odgovorni inženjer mora:

Koristite vrijednost iz objavljene studije ili smjernice proizvođača (općenito 0,00009 – 0,00018 m²·K/W za čiste usluge, do 0,00035 za teške usluge skaliranja).

Primijenite faktor redukcije na TEMA rezultat za istu tekućinu na metalnoj cijevi. Opće pravilo: PTFE ima faktor onečišćenja od 20-40% od faktora nerđajućeg čelika pri istim uslovima.

PTFE je već na nižoj strani poliranog metala u pogledu hrapavosti površine, tako da specificiranje "polirani PTFE" ne modificira preporučeni faktor onečišćenja na bilo koji smislen način.

Kada je hrapavost površine bitna za PTFE
U nekim okolnostima, glatkija PTFE površina (npr. polirana) može biti garantovana:

Biofarmaceutska ili proizvodnja hrane gdje nekoliko jamica ili strugotina može sadržavati mikroorganizme. Niska površinska energija PTFE sprečava adheziju biofilma, ali regulatorni standardi (npr. validacija čistog-na-mjestu) mogu zahtijevati poliranu površinu (Ra < 0,1 µm). Ovdje je potreba diktirana lakoćom čišćenja i dokumentacijom, a ne bilo kakvom vidljivom promjenom faktora termičkog onečišćenja.

Usluge s vrlo malim česticama koje se mogu mehanički spojiti u površinske defekte. Opet, normalni PTFE je prilično gladak, ali poliranje može pružiti inkrementalnu prednost za sub-mikronske čestice.

Estetika ili specifikacija kupaca Neki kupci zahtijevaju da sve vlažne površine imaju glatku završnu obradu.

Opasnost od prekomjernog-poliranja
Preko{0}}poliranje PTFE-a može pružiti površinu previše glatku za neke svrhe. Na primjer, u isparivaču ili kondenzatoru padajućeg filma, vrlo glatka površina može smanjiti kvašenje i povećati stvaranje kapljica, a ne protok filma, što otežava prijenos topline. Ali to je druga stvar od fauliranja.

Merenje hrapavosti površine i verifikacija PTFE
U slučaju da se želi određena hrapavost, to treba navesti kao maksimalnu vrijednost Ra izračunatu prema međunarodnom standardu (npr. ISO 4287 ili ASME B46.1). Koristi se kontaktni profilometar ili bez{5}}beskontaktni optički profilator. Tipične vrijednosti za PTFE:

Standardni ekstrudirani PTFE: Ra £ 0,5 mikrona

Polirani PTFE: Ra Manji ili jednak 0,1 μm

Oguljeni PTFE (ne-polirani) Ra< 0.8 µm

Za većinu primjena izmjenjivača topline specifikacija hrapavosti nije potrebna. PTFE cijevi, normalne komercijalne obrade, ekstrudirane.

ZAKLJUČAK: PREDNOST VEĆ POSTOJI
Glatkija cijev uvijek manje kvari. Razlika između osnovne PTFE cijevi i polirane je zanemarljiva. Sam polimer je već prilično gladak i ima nisku površinsku energiju pa ima ogromnu prednost u odnosu na bilo koji metal. Ova prednost bi se trebala odraziti u faktoru onečišćenja koji se pripisuje PTFE izmjenjivaču. Poliranje cijevi rijetko rezultira značajnim smanjenjem otpornosti na termičko onečišćenje. Optimalna površina protiv obrastanja je ona koja je fizički glatka i hemijski odbijajuća, a PTFE daje obje ove karakteristike u svom običnom ekstrudiranom obliku. Za aplikacije koje su osjetljive na onečišćenje{7}}, dizajneri mogu bezbedno koristiti konvencionalne PTFE cijevi znajući da će faktor onečišćenja biti daleko manji nego kod bilo kojeg metala i da je dalje poliranje nepotreban luksuz.