Ako sa mení faktor znečistenia PTFE výmenníka s drsnosťou povrchu rúrky?

Drsnosť steny rúrky nanometrov je životne dôležitým bojiskom vo vojne proti znečisteniu výmenníkov tepla. Drsný povrch je krajina vrchov a údolí, ktorá poskytuje milión drobných chránených nákupných miest pre kryštály vodného kameňa a lepkavé biofilmy, na ktoré sa môžete uchytiť. V porovnaní s tým leštený zrkadlovo rovný povrch poskytuje oveľa menej opierok na nohy. Takže faktor znečistenia, tepelná penalizácia, ktorú navrhol dizajnér, aby vysvetlil túto nevyhnutnú špinu, je citlivý na počiatočnú drsnosť povrchu rúrky. Ale keď ide o PTFE, všetky rúrky sú už veľmi klzké.

Článok pojednáva o vzťahu medzi rôznym faktorom zanášania a drsnosťou povrchu PTFE trubice v porovnaní s kovovými trubicami a o tom, prečo je leštenie v dôsledku hladkosti PTFE nadbytočné.

Pochopenie faktora znečistenia
Čo znamená faktor znečistenia
Faktor znečistenia (bežne reprezentovaný ako ��Rf​ v konštrukcii výmenníka tepla) je dodatočný tepelný odpor používaný k celkovému výpočtu prestupu tepla, aby sa zohľadnil progresívny vývoj usadenín na povrchu prenosu tepla. Tieto usadeniny – vodný kameň, sediment, biologický vývoj alebo produkty chemickej reakcie – vytvárajú ďalšiu vrstvu izolácie, ktorá časom znižuje účinnosť výmenníka. Faktor znečistenia sa udáva v jednotkách m 2 K/W a pripočítava sa k súčtu ostatných tepelných odporov (stena rúry, fluidné filmy), aby sa dospelo k návrhovému celkovému súčiniteľu prestupu tepla (hodnota U-).

Konštrukčné normy, ako napríklad tie, ktoré zverejnila asociácia výrobcov rúrových výmenníkov (TEMA), špecifikujú faktory znečistenia pre rôzne kvapaliny a materiály rúr. Tieto smernice sú výsledkom desaťročí priemyselných skúseností s kovovými rúrami (uhlíková oceľ, nehrdzavejúca oceľ, admirálska mosadz atď.). Ak je známe, že povrch trubice podporuje priľnavosť usadenín, potom sa pre danú kvapalinu a službu použije väčší faktor znečistenia.

Vplyv drsnosti povrchu na znečistenie
Znečistenie závisí od drsnosti povrchu, ako je všeobecne známe. Hrubý povrch:

Zväčšuje účinnú plochu pre nukleáciu usadenín

Mechanické do seba zapadajúce miesta pre ukotvenie kryštálov alebo biofilmov.

Vytvára stacionárne zóny v povrchových žľaboch, kde sa môže vyvinúť lokalizované presýtenie a mikrobiologický rast.

Usadeniny sú skryté v priehlbinách chránených pred hlavným prúdom, čím sa spomaľuje šmykové odstraňovanie usadenín prúdom tekutiny.

Preto pre danú kvapalinu a rýchlosť prúdenia bude mať rúrka s nižšou (hladšou) drsnosťou povrchu tendenciu mať nižšiu mieru zanášania a nižší rovnovážny odpor proti zanášaniu. To platí pre kovové aj polymérové ​​rúrky.

Prirodzená drsnosť povrchu PTFE
Ako-extrudované PTFE hadičky: hladké od začiatku
PTFE hadičky sa bežne vyrábajú extrúziou alebo odlupovaním (odlupovaním) z bloku. Výsledný povrch je prirodzene veľmi hladký. Typické priemerné hodnoty drsnosti povrchu (Ra) pre -extrudovaný PTFE sú nasledovné:

Štandardné extrudované PTFE hadičky Ra=0.2 – 0,5 mikrometra (µm)

Šikmá trubica z PTFE: Ra=0.4 – 0,8 µm (trochu hrubšia v dôsledku procesu rezania)

Na porovnanie, drsnosť povrchu typických kovových rúrok používaných pri prevádzke výmenníkov tepla je:

Bezšvíková rúrka z nehrdzavejúcej ocele (ako je nakreslená) Ra=0.8 – 1,5 µm

Bezšvíková rúrka z uhlíkovej ocele (ako-nakreslená): Ra=1.0-2.5 µm

Oceľové potrubie, zvárané, vnútorné čistenie: Ra=2.0 – 5,0 µm (alebo viac)

Rúrka z nehrdzavejúcej ocele mechanicky leštená, Ra=0.1 - 0.3 µm (po nákladnej povrchovej úprave)

Dokonca aj -extrudovaná trubica z PTFE má zvyčajne drsnosť povrchu porovnateľnú s leštenou kovovou trubicou. PTFE začína život so sklenenou-hladkou kožou, ktorá je už o desiatky rokov popredu vo vojne proti najdrsnejšiemu a najviac jamkovanému kovovému povrchu.

Možnosť leštenia PTFE
PTFE je možné ďalej leštiť mechanicky (pomocou jemných abrazív) alebo plameňovým leštením (roztavením povrchu do hladkej povrchovej úpravy). Ra PTFE trubice môže byť vyleštená až na 0,05 – 0,1 µm. Táto technika však zvyšuje náklady a môže ovplyvniť rozmerovú toleranciu rúrky. Okrem toho existuje len malá praktická výhoda pri leštení PTFE, pretože počiatočný povrch je už taký hladký, že okrajové zlepšenie zanášania je relatívne malé.

Vplyv drsnosti povrchu PTFE na faktor znečistenia
Malý rozdiel medzi štandardným a lešteným PTFE
Pre konkrétnu procesnú kvapalinu a prevádzkový stav je zníženie faktora znečistenia dosiahnuté vyleštením PTFE trubice z Ra=0.4 µm na Ra=0.1 µm zvyčajne minimálne, často menej ako 5 – 10 % celkovej odolnosti voči znečisteniu. Je to preto, že miera zanášania je už na normálnom PTFE povrchu dosť nízka. Ostatné usadeniny sú vo všeobecnosti chemicky viazané alebo tie, ktoré sú vytvorené z presýtených tekutín, kde priľnavosť poháňa skôr povrchová energia než drsnosť.

Vo väčšine konštrukcií výmenníkov je rozdiel v potrebnom množstve zanášania medzi bežnou PTFE trubicou a leštenou trubicou taký malý, že spadá do bezpečnostnej hranice výpočtu. Preto sú leštené PTFE rúrky v priemyselnej praxi len zriedka špecifikované len na zvládanie znečistenia. Štandardné extrudované PTFE rúrky sa zvyčajne považujú za dostatočne hladké.

Oveľa väčší rozdiel: PTFE vs. kov
Veľký nárast znečistenia nie je medzi normálnym a lešteným PTFE, ale medzi akoukoľvek PTFE trubicou a akoukoľvek kovovou trubicou. Pre typickú vodnú prevádzku, v ktorej sa vytvára vodný kameň uhličitanu vápenatého, môže byť faktor znečistenia odporúčaný spoločnosťou TEMA pre rúrky z uhlíkovej ocele 0,00035 m 2 K/W (pre čistú riečnu vodu) až 0,00088 m 2 K/W (pre vodu z chladiacej veže). Fluórpolyméry nie sú špecificky uvedené v TEMA, hoci konštrukčný faktor znečistenia 0,00009 – 0,00018 m2·K/W sa často používa pre trubice z PTFE. Tento 50–80 % pokles je spôsobený kombinovaným účinkom dvoch faktorov:

Mimoriadne-nízka drsnosť povrchu - PTFE nemá žiadne trhliny ani nerovnosti na zadržiavanie usadenín.

Veľmi nízka povrchová energia - PTFE je nepriľnavý-. Usadeniny majú veľmi nízku priľnavosť a dajú sa ľahko odstrániť šmykom tekutiny.

Druhý faktor, povrchová energia, je zvyčajne dôležitejší ako samotná drsnosť. Dokonca aj dokonale hladký kovový povrch má vysokú povrchovú energiu, ktorá podporuje chemickú väzbu polárnych molekúl (napr. vody, iónov a organických zlúčenín), ktoré následne pôsobia ako priméry pre dodatočné usadzovanie vodného kameňa. Nízka povrchová energia PTFE (18–20 mN/m oproti 30–50 mN/m pre nehrdzavejúcu oceľ) znamená, že usadeniny, ak sa vyskytnú, sú voľne priľnuté a dajú sa odstrániť miernym prúdením.

Praktické dôsledky dizajnu
Parametre znečistenia TEMA a PTFE
Štandardné tabuľky faktorov znečistenia TEMA nezahŕňajú PTFE. Zodpovedný inžinier musí:

Použite hodnotu z publikovanej štúdie alebo usmernenia výrobcu (všeobecne 0,00009 – 0,00018 m²·K/W pre čisté služby, až do 0,00035 pre služby so silným škálovaním).

Aplikujte redukčný faktor na výsledok TEMA pre rovnakú kvapalinu na kovovej trubici. Základné pravidlo: PTFE má za rovnakých podmienok faktor znečistenia 20 – 40 % v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou.

PTFE je už na najnižšej úrovni lešteného kovu, pokiaľ ide o drsnosť povrchu, takže špecifikácia "leštený PTFE" žiadnym zmysluplným spôsobom nemení odporúčaný faktor znečistenia.

Kedy je pre PTFE dôležitá drsnosť povrchu
Za určitých okolností môže byť zaručený hladší povrch PTFE (napr. leštený):

Biofarmaceutická alebo potravinárska výroba, kde niekoľko jamiek alebo škrabancov môže obsahovať mikroorganizmy. Nízka povrchová energia PTFE bráni priľnavosti biofilmu, no regulačné normy (napr. overenie čistoty-na{4}}mieste) si môžu vyžadovať leštený povrch (Ra < 0,1 µm). Tu je potreba diktovaná čistiteľnosťou a dokumentáciou, nie akoukoľvek pozorovateľnou zmenou faktora tepelného znečistenia.

Služby s veľmi malými časticami, ktoré sa môžu mechanicky začleniť do povrchových defektov. Normálny PTFE je opäť celkom hladký, ale leštenie môže poskytnúť prírastkovú výhodu pre sub-mikrónové častice.

Estetika alebo špecifikácia zákazníka Niektorí zákazníci požadujú, aby všetky navlhčené povrchy mali hladký povrch.

Nebezpečenstvo nadmerného-leštenia
Prílišné{0}}leštenie PTFE môže poskytnúť povrch príliš hladký na niektoré účely. Napríklad vo výparníku alebo kondenzátore s klesajúcim filmom môže vysoko hladký povrch znižovať zmáčavosť a zvyšovať tvorbu kvapiek namiesto toku filmu, čo zhoršuje prenos tepla. Ale to je iná vec ako faul.

Meranie drsnosti povrchu a overovanie PTFE
V prípade, že sa požaduje určitá drsnosť, mala by sa uviesť ako maximálna hodnota Ra vypočítaná podľa medzinárodnej normy (napr. ISO 4287 alebo ASME B46.1). Používa sa kontaktný profilometer alebo -bezkontaktný optický profiler. Typické hodnoty pre PTFE:

Štandardný extrudovaný PTFE: Ra £ 0,5 mikrónu

Leštený PTFE: Ra Menší alebo rovný 0,1 μm

Zrezaný PTFE (neleštený-) Ra< 0.8 µm

Pre väčšinu aplikácií výmenníkov tepla nie je potrebná špecifikácia drsnosti. Rúry PTFE, s bežným komerčným povrchom, ako extrudované.

ZÁVER: VÝHODA UŽ EXISTUJE
Hladšia trubica sa vždy menej zanáša. Rozdiel medzi základnou PTFE trubicou a leštenou je zanedbateľný . Samotný polymér je už celkom hladký a má nízku povrchovú energiu, preto má obrovskú výhodu oproti akýmkoľvek kovom. Táto výhoda by sa mala prejaviť vo faktore znečistenia pripisovaného PTFE výmenníku. Leštenie rúr má zriedkavo za následok významné zníženie odolnosti voči tepelnému zanášaniu. Optimálny-povrch proti znečisteniu je ten, ktorý je fyzikálne hladký a chemicky odpudzujúci a PTFE dáva obe tieto vlastnosti vo svojej bežnej extrudovanej forme. Na aplikácie citlivé na znečistenie- môžu dizajnéri bezpečne použiť bežné PTFE trubice s vedomím, že faktor znečistenia bude oveľa nižší ako pri akomkoľvek kove a že ďalšie leštenie je zbytočný luxus.