Com canvia el factor de contaminació d'un intercanviador de PTFE amb la rugositat superficial del tub?

La rugositat a nanoescala de la paret del tub és un camp de batalla vital en la guerra contra la contaminació dels intercanviadors de calor. Una superfície rugosa és un paisatge de cims i valls, que ofereix un milió de punts de compra minúsculs i protegits per a què s'enganxin cristalls d'escala i biofilms enganxosos. Una superfície plana polida i mirall, en comparació, ofereix molts menys punts de suport. Així doncs, el factor de contaminació, una penalització tèrmica introduïda per un dissenyador per tenir en compte aquesta brutícia inevitable, és sensible a la rugositat superficial inicial del tub. Però quan es tracta de PTFE, tots els tubs ja són molt relliscosos.

El document analitza la relació entre els diferents factors de contaminació i la rugositat de la superfície del tub de PTFE en comparació amb els tubs metàl·lics, i per què la suavitat inherent del PTFE fa que el poliment sigui redundant.

Entendre el factor de contaminació
Què significa el factor de contaminació
El factor de contaminació (comunament representat com ��Rf​ en el disseny de l'intercanviador de calor) és una resistència tèrmica addicional que s'utilitza per al càlcul global de la transferència de calor per tenir en compte el desenvolupament progressiu dels dipòsits a la superfície de transferència de calor. Aquests dipòsits (escala, sediment, desenvolupament biològic o productes de reacció química) formen una capa addicional d'aïllament que degrada l'eficàcia de l'intercanviador amb el temps. El factor de contaminació es dóna en unitats de m 2 K/W i s'afegeix a la suma de les altres resistències tèrmiques (paret del tub, pel·lícules de fluid) per arribar al coeficient de transferència de calor global de disseny (valor U-).

Els estàndards de disseny com els publicats per l'Associació de fabricants d'intercanviadors tubulars (TEMA) especifiquen factors de contaminació per a diferents fluids i materials de tubs. Aquestes directrius són el resultat de dècades d'experiència industrial amb tubs metàl·lics (acer al carboni, acer inoxidable, llautó de l'Almirantazgo, etc.). Si se sap que la superfície del tub afavoreix l'adherència del dipòsit, s'aplica un factor d'encrassement més gran per al fluid i el servei donats.

Influència de la rugositat superficial en l'encrassement
La contaminació depèn de la rugositat de la superfície, com és àmpliament coneguda. Una superfície rugosa:

Augmenta l'àrea efectiva de nucleació de dipòsits

Ubicacions d'enclavament mecànic per a l'ancoratge de cristalls o biofilms.

Crea zones estacionàries en abeuradors superficials on es pot desenvolupar una sobresaturació localitzada i un creixement microbiològic.

Els dipòsits s'oculten en rebaix protegits del flux principal, de manera que alenteix l'eliminació de cisalla dels dipòsits pel flux del fluid.

Per tant, per a un fluid i una velocitat de flux determinats, un tub amb una rugositat superficial inferior (més suau) tendirà a tenir una taxa d'encrassement més baixa i una resistència a l'encrassement d'equilibri més baixa. Això és vàlid tant per a tubs metàl·lics com per a tubs de polímer.

La rugositat de la superfície natural del PTFE
Com a-tub de PTFE extruït: suau des del principi
Els tubs de PTFE es produeixen normalment per extrusió o pelat d'una palangana. La superfície resultant és naturalment molt llisa. Els valors típics de rugositat superficial mitjana (Ra) per a -PTFE extruït són els següents:

Tub estàndard de PTFE extruït Ra=0.2 – 0,5 micròmetres (µm)

Tub de PTFE raspat: Ra=0.4 - 0,8 µm (una mica més aspre a causa del procediment de tall)

Per comparar, la rugositat superficial dels tubs metàl·lics típics utilitzats en el servei d'intercanviador de calor és:

Tub d'acer inoxidable sense soldadura (tal com es dibuixa) Ra=0.8 – 1,5 µm

Tub d'acer al carboni sense soldadura (tal com es dibuixa-): Ra=1.0-2.5 µm

Tub d'acer, soldat, neteja interior: Ra=2.0 – 5,0 µm (o més)

Tub d'acer inoxidable polit mecànicament, Ra=0.1 - 0.3 µm (després d'un acabat costós)

Així, fins i tot un tub de PTFE-extruït normalment té una rugositat superficial comparable a un tub de metall polit. El PTFE comença la vida amb una-pell llisa de vidre que ja té dècades per davant en la guerra de contaminació contra la superfície metàl·lica més rugosa i picada.

L'opció de poliment de PTFE
El PTFE es pot polir més mecànicament (utilitzant abrasius fins) o per poliment a la flama (fonent la superfície per fluir en un acabat llis). El Ra d'un tub de PTFE es pot polir fins a 0,05 – 0,1 µm. Tanmateix, aquesta tècnica afegeix despesa i pot afectar la tolerància dimensional del tub. A més, hi ha pocs avantatges pràctics a l'hora de polir PTFE, ja que la superfície inicial ja és tan llisa que la millora marginal de la contaminació és relativament petita.

Influència de la rugositat de la superfície de PTFE en el factor de contaminació
La petita diferència entre el PTFE estàndard i el polit
Per a un fluid de procés i un estat de funcionament concrets, la reducció del factor d'encrassement que s'aconsegueix polint un tub de PTFE de Ra=0.4 µm a Ra=0.1 µm sol ser mínima, sovint inferior al 5-10% de la resistència total a la contaminació. Això es deu al fet que la taxa de contaminació ja és bastant baixa a la superfície normal de PTFE. Els altres dipòsits són generalment els lligats químicament o els formats a partir de fluids sobresaturats on l'energia superficial, més que la rugositat, impulsa l'adhesió.

En la majoria dels dissenys d'intercanviadors, la diferència de marge de contaminació necessària entre un tub de PTFE convencional i un de polit és tan petita que entra dins del marge de seguretat del càlcul. Per tant, els tubs de PTFE polits poques vegades s'especifiquen a la pràctica industrial només per a la gestió d'encrasses. Els tubs estàndard de PTFE extruït solen considerar-se prou suaus.

La diferència molt més gran: PTFE vs metall
El gran augment del rendiment d'encrasses no és entre el PTFE normal i el polit, sinó entre qualsevol tub de PTFE i qualsevol tub metàl·lic. Per a un servei aquós típic en què es forma incrustació de carbonat càlcic, el factor de contaminació aconsellat per TEMA per a un tub d'acer al carboni pot ser de 0,00035 m 2 K/W (per a aigua pura de riu) a 0,00088 m 2 K/W (per a aigua de torre de refrigeració). Els fluoropolímers no s'inclouen específicament a TEMA, tot i que s'utilitza freqüentment un factor de contaminació de disseny de 0,00009 - 0,00018 m2·K/W per a un tub de PTFE. Aquesta disminució del 50-80% és causada per l'efecte combinat de dos factors:

El PTFE de rugositat superficial ultra-baixa - no té fissures ni asperitats per retenir els dipòsits.

El PTFE d'energia superficial molt baixa - és anti-adherent. Els dipòsits tenen una força adhesiva molt baixa i es poden escombrar fàcilment amb una cisalla fluida.

El segon factor, l'energia superficial, sol ser més rellevant que només la rugositat. Fins i tot una superfície metàl·lica perfectament llisa té una gran energia superficial que afavoreix l'enllaç químic de molècules polars (aigua, ions i compostos orgànics, per exemple), que posteriorment actuen com a imprimadors per a la deposició d'escala addicional. La baixa energia superficial del PTFE (18-20 mN/m enfront de 30-50 mN/m per a l'acer inoxidable) fa que els dipòsits, si es produeixen, s'adhereixen poc i es poden eliminar amb un flux moderat.

Implicacions pràctiques del disseny
Paràmetres de contaminació TEMA i PTFE
Les taules de factors de contaminació estàndard TEMA no inclouen PTFE. L'enginyer responsable ha de:

Utilitzeu un valor d'un estudi publicat o d'una directriu del fabricant (generalment 0,00009 – 0,00018 m²·K/W per a serveis nets, fins a 0,00035 per a serveis d'escala severa).

Apliqueu el factor de reducció al resultat TEMA per al mateix fluid en un tub metàl·lic. Una regla general: el PTFE té un factor de contaminació del 20-40% del de l'acer inoxidable en les mateixes condicions.

El PTFE ja es troba a l'extrem baix del metall polit en termes de rugositat superficial, per la qual cosa especificar "PTFE polit" no modifica el factor de contaminació recomanat de cap manera significativa.

Quan importa la rugositat superficial per al PTFE?
En algunes circumstàncies, es pot garantir una superfície de PTFE més llisa (per exemple, polida):

Fabricació de productes biofarmacèutics o d'aliments on algunes fosses o rascades poden albergar microorganismes. La baixa energia superficial del PTFE impedeix l'adhesió del biofilm, però els estàndards reguladors (per exemple, la validació neta-al lloc{-) poden requerir una superfície polida (Ra < 0,1 µm). Aquí la necessitat ve dictada per la neteja i la documentació, no per cap canvi observable en el factor de contaminació tèrmica.

Serveis amb partícules molt petites que poden encaixar mecànicament amb defectes superficials. De nou, el PTFE normal és bastant suau tal com és, però el poliment pot proporcionar un avantatge incremental per a partícules sub-micrones.

Estètica o especificació del client Alguns clients requereixen que totes les superfícies mullades tinguin un acabat llis.

El perill d'un-polit excessiu
Un-polit excessiu de PTFE pot proporcionar una superfície massa llisa per a alguns propòsits. Per exemple, en un evaporador o condensador de pel·lícula que cau, una superfície molt llisa pot disminuir la humectabilitat i augmentar la formació de gotes en lloc del flux de pel·lícula, cosa que perjudica la transferència de calor. Però això és una cosa diferent de la falta.

Mesura i verificació de la rugositat superficial de PTFE
En cas que es desitgi una certa rugositat, s'ha d'indicar com a valor màxim de Ra calculat segons una norma internacional (per exemple, ISO 4287 o ASME B46.1). S'utilitza un perfilòmetre de contacte o un perfilador òptic sense-contacte. Valors típics de PTFE:

PTFE extruït estàndard: Ra £ 0,5 micres

PTFE polit: Ra Menor o igual a 0,1 μm

PTFE raspat (no-polit) Ra< 0.8 µm

Per a la majoria d'aplicacions d'intercanviador de calor, no cal una especificació de rugositat. Tubs de PTFE, acabat comercial normal, com extruït.

CONCLUSIÓ: L'AVANTATGE JA EXISTEIX
Un tub més llis sempre fa menys falta. La diferència entre un tub de PTFE bàsic i un de polit és insignificant. El polímer en si ja és força llis i té una baixa energia superficial, per tant té un gran avantatge sobre qualsevol metall. Aquest benefici s'hauria de reflectir en el factor de contaminació atribuït a un intercanviador de PTFE. Polir els tubs rarament produeix una disminució significativa de la resistència a l'encrassement tèrmic. La superfície òptima anti-incrustació és aquella que és físicament llisa i químicament repel·lent i el PTFE ofereix ambdues característiques en la seva forma extrusionada normal. Per a aplicacions sensibles a la contaminació-, els dissenyadors poden utilitzar amb seguretat tubs de PTFE convencionals sabent que el factor de contaminació serà molt més baix que per a qualsevol metall i que un poliment addicional és un luxe innecessari.