Hvordan endres begroingsfaktoren til en PTFE-veksler med overflateruheten til røret?

Rørveggens nanoskala ruhet er en viktig kampplass i krigen mot begroing på varmevekslere. En grov overflate er et landskap av topper og daler, som gir en million små, beskyttede kjøpssteder for skalakrystaller og klissete biofilmer å gripe tak i. En polert, speilflat overflate gir til sammenligning mye færre fotfester. Så begroingsfaktoren, en termisk straff som er kastet inn av en designer for å gjøre rede for denne uunngåelige skitten, er følsom for den opprinnelige overflateruheten til røret. Men når det gjelder PTFE, er alle rør allerede veldig glatte.

Artikkelen diskuterer forholdet mellom ulik begroingsfaktor og PTFE-røroverflateruhet sammenlignet med metallrør, og hvorfor PTFEs iboende glatthet gjør polering overflødig.

Forstå begroingsfaktoren
Hva begroingsfaktoren betyr
Begroingsfaktoren (vanligvis representert som ��Rf​ i varmevekslerdesign) er en ekstra termisk motstand som brukes til den totale varmeoverføringsberegningen for å ta hensyn til progressiv utvikling av avsetninger på varmeoverføringsoverflaten. Disse avsetningene – avleiringer, sedimenter, biologisk utvikling eller produkter av kjemisk reaksjon – bygger opp et ekstra lag med isolasjon som forringer vekslerens effektivitet over tid. Begroingsfaktoren er gitt i enheter på m 2 K/W og legges til summen av de andre termiske motstandene (rørvegg, væskefilmer) for å komme frem til den totale varmeoverføringskoeffisienten (U-verdi).

Designstandarder som de publisert av Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) spesifiserer begroingsfaktorer for forskjellige væsker og rørmaterialer. Disse retningslinjene er et resultat av flere tiår med industriell erfaring med metallrør (karbonstål, rustfritt stål, admiralty messing, etc.). Hvis det er kjent at røroverflaten fremmer vedheft av avleiringer, brukes en større begroingsfaktor for den gitte væsken og servicen.

Påvirkning av overflateruhet på begroing
Begroingen avhenger av overflateruheten, som den er allment kjent. En ru overflate:

Øker det effektive området for kjernedannelse av avsetninger

Mekaniske sammenlåsingssteder for krystaller eller biofilmer å forankre.

Skaper stasjonære soner i overflatekar hvor lokalisert overmetning og mikrobiologisk vekst kan utvikle seg.

Avsetninger er skjult i utsparinger skjermet fra hovedstrømmen, og bremser derved skjærfjerningen av avleiringer fra væskestrømmen.

Derfor, for en gitt væske- og strømningshastighet, vil et rør med en lavere (glattere) overflateruhet ha en tendens til å ha en lavere begroingshastighet og en lavere likevektsbegroingsmotstand. Dette gjelder både metall- og polymerrør.

Den naturlige overflateruheten til PTFE
Som-Ekstrudert PTFE-slange: Glatt fra begynnelsen
PTFE-rør produseres normalt ved ekstrudering eller ved avskalling (avskalling) fra et emne. Den resulterende overflaten er naturlig nok veldig glatt. Typiske gjennomsnittlige overflateruhet (Ra) verdier for som-ekstrudert PTFE er som følger:

Standard ekstrudert PTFE-rør Ra=0.2 – 0,5 mikrometer (µm)

Skivet PTFE-rør: Ra=0.4 – 0,8 µm (litt grovere på grunn av kutteprosedyren)

Til sammenligning er overflateruheten til typiske metallrør som brukes i varmevekslerdrift:

Sømløst rustfritt stålrør (som tegnet) Ra=0.8 – 1,5 µm

Sømløst karbonstålrør (som-tegnet): Ra=1.0-2.5 µm

Stålrør, sveiset, innvendig rengjøring: Ra=2.0 – 5,0 µm (eller mer)

Rustfritt stålrør mekanisk polert, Ra=0.1 - 0.3 µm (etter kostbar etterbehandling)

Dermed har selv et som-ekstrudert PTFE-rør typisk en overflateruhet som kan sammenlignes med et polert metallrør. PTFE begynner livet med en-glassglatt hud som allerede er flere tiår foran i begroingskrigen mot den groveste, mest pittige metalloverflaten.

Poleringsalternativet til PTFE
PTFE kan poleres ytterligere mekanisk (ved å bruke fine slipemidler) eller ved flammepolering (smelte overflaten for å flyte til en jevn finish). Ra til et PTFE-rør kan poleres ned til 0,05 – 0,1 µm. Imidlertid øker denne teknikken kostnader og kan påvirke rørets dimensjonstoleranse. I tillegg er det liten praktisk fordel med å polere PTFE da startoverflaten allerede er så glatt at den marginale forbedringen i begroing er relativt liten.

Påvirkning av PTFE overflateruhet på begroingsfaktor
Den lille forskjellen mellom standard og polert PTFE
For en bestemt prosessvæske og driftstilstand er reduksjonen i begroingsfaktor oppnådd ved å polere et PTFE-rør fra Ra=0.4 µm til Ra=0.1 µm vanligvis minimal, ofte mindre enn 5–10 % av den totale begroingsmotstanden. Dette er fordi begroingshastigheten allerede er ganske lav på den normale PTFE-overflaten. De andre avsetningene er vanligvis de kjemisk bundne eller de som dannes fra overmettede væsker hvor overflateenergi, snarere enn ruhet, driver adhesjonen.

I de fleste vekslerkonstruksjoner er forskjellen i nødvendig tilsmussing mellom et konvensjonelt PTFE-rør og et polert rør så liten at det faller innenfor sikkerhetsmarginen for beregningen. Derfor er polerte PTFE-rør sjelden spesifisert i industriell praksis for begroing alene. Standard ekstruderte PTFE-rør anses vanligvis som glatte nok.

Den mye større forskjellen: PTFE vs. metall
Den store økningen i begroingsytelse er ikke mellom vanlig og polert PTFE, men mellom ethvert PTFE-rør og et hvilket som helst metallrør. For en typisk vandig tjeneste der det dannes kalsiumkarbonatbelegg, kan begroingsfaktoren som anbefales av TEMA for et karbonstålrør være 0,00035 m 2 K/W (for rent elvevann) til 0,00088 m 2 K/W (for kjøletårnvann). Fluoropolymerer er ikke spesifikt oppført i TEMA, selv om en designbegroingsfaktor på 0,00009 – 0,00018 m2·K/W ofte brukes for et PTFE-rør. Denne nedgangen på 50–80 % er forårsaket av den kombinerte effekten av to faktorer:

Ultra-lav overflateruhet - PTFE har ingen sprekker eller skår som holder avleiringer.

Svært lav overflateenergi - PTFE er non-klebende. Avleiringer har svært lav klebekraft og kan lett feies bort med væskeskjær.

Den andre faktoren, overflateenergi, er typisk mer relevant enn ruhet alene. Selv en perfekt glatt metallisk overflate har høy overflateenergi som favoriserer kjemisk binding av polare molekyler (f.eks. vann, ioner og organiske forbindelser), som deretter fungerer som primere for ytterligere avleiring av avleiring. Den lave overflateenergien til PTFE (18–20 mN/m versus 30–50 mN/m for rustfritt stål) betyr at avleiringer, hvis de oppstår, blir løst vedheftet og kan fjernes ved moderat flyt.

Implikasjoner for praktisk design
TEMA Fouling Parameters og PTFE
TEMA standard begroingsfaktortabeller inkluderer ikke PTFE. Ansvarlig ingeniør må:

Bruk en verdi fra en publisert studie eller produsentens retningslinjer (vanligvis 0,00009 – 0,00018 m²·K/W for rene tjenester, opptil 0,00035 for alvorlige skaleringstjenester).

Påfør reduksjonsfaktoren på TEMA-resultatet for samme væske på et metallrør. En tommelfingerregel: PTFE har en begroingsfaktor på 20-40 % av rustfritt stål ved samme forhold.

PTFE er allerede i den lave enden av polert metall når det gjelder overflateruhet, og spesifikasjonen av "polert PTFE" endrer derfor ikke den anbefalte begroingsfaktoren på noen meningsfull måte.

Når har overflateruhet betydning for PTFE
I noen tilfeller kan en jevnere PTFE-overflate (f.eks. polert) være berettiget:

Biofarmasøytisk eller matproduksjon der noen få groper eller skraper kan inneholde mikroorganismer. Den lave overflateenergien til PTFE forhindrer biofilm-adhesjon, men regulatoriske standarder (f.eks. ren-på-validering) kan nødvendiggjøre en polert overflate (Ra < 0,1 µm). Her er behovet diktert av renholdbarhet og dokumentasjon, ikke av noen observerbar endring i den termiske begroingsfaktoren.

Tjenester med svært små partikler som mekanisk kan låse seg inn i overflatedefekter. Igjen er vanlig PTFE ganske jevn som den er, men polering kan gi økte fordeler for sub-mikronpartikler.

Estetikk eller kundespesifikasjon Noen kunder krever at alle fuktede overflater har en jevn finish.

Faren for over-polering
Over-polering av PTFE kan gi en overflate som er for glatt til enkelte formål. For eksempel, i en fallende filmfordamper eller kondensator, kan en svært glatt overflate redusere fuktbarheten og øke dråpedannelsen i stedet for filmstrømmen, noe som svekker varmeoverføringen. Men det er en annen ting enn tilgrising.

Overflateruhetsmåling og verifisering av PTFE
Dersom det ønskes en viss ruhet, bør dette angis som en maksimal Ra-verdi beregnet i henhold til en internasjonal standard (f.eks. ISO 4287 eller ASME B46.1). Et kontaktprofilometer eller en optisk profiler uten-kontakt brukes. Typiske verdier for PTFE:

Standard ekstrudert PTFE: Ra £ 0,5 mikron

Polert PTFE: Ra Mindre enn eller lik 0,1 μm

Skived PTFE (ikke-polert) Ra< 0.8 µm

For de fleste varmevekslerapplikasjoner er det ikke nødvendig med en grovhetsspesifikasjon. PTFE-rør, normal kommersiell finish, som ekstrudert.

KONKLUSJON: FORDELEN FINNES ALLEREDE
En jevnere tube gjør alltid mindre smuss. Forskjellen mellom et grunnleggende PTFE-rør og et polert rør er ubetydelig. Selve polymeren er allerede ganske glatt og har lav overflateenergi, derfor har den en stor fordel fremfor ethvert metall. Denne fordelen bør gjenspeiles i begroingsfaktoren som tilskrives en PTFE-veksler. Polering av rørene resulterer sjelden i en betydelig reduksjon i termisk begroingsmotstand. Den optimale anti-begroingsoverflaten er en som er fysisk glatt og kjemisk avvisende, og PTFE gir begge disse egenskapene i sin vanlige ekstruderte form. For begroingssensitive applikasjoner kan designere trygt bruke konvensjonelle PTFE-rør, vel vitende om at begroingsfaktoren vil være langt lavere enn for noe metall, og at ytterligere polering er en unødvendig luksus.