Како се фактор онечишћења ПТФЕ измењивача мења са храпавошћу површине цеви?

Нано храпавост зида цеви је витално бојно поље у рату против прљања на измењивачима топлоте. Груба површина је пејзаж врхова и долина, који пружа милион сићушних, заштићених места куповине за кристале и лепљиве биофилмове за које се могу ухватити. Полирана, равна површина у огледалу, у поређењу са тим, пружа много мање упоришта. Дакле, фактор загађивања, топлотна казна коју је убацио дизајнер да би објаснио ову неизбежну прљавштину, је осетљив на почетну храпавост површине цеви. Али када се ради о ПТФЕ-у, све цеви су већ веома клизаве.

У раду се разматра однос између различитог фактора запрљања и храпавости површине ПТФЕ цеви у поређењу са металним цевима, и зашто ПТФЕ-у својствена глаткоћа чини полирање сувишним.

Разумевање фактора онечишћења
Шта значи фактор загађивања
Фактор запрљања (обично представљен као ��Рф​ у дизајну измењивача топлоте) је додатни топлотни отпор који се користи за укупни прорачун преноса топлоте како би се урачунао прогресивни развој наслага на површини преноса топлоте. Ове наслаге – каменац, седимент, биолошки развој или производи хемијске реакције – стварају додатни слој изолације који временом деградира ефикасност измењивача. Фактор зарастања је дат у јединицама м 2 К/В и додаје се збиру осталих топлотних отпора (зид цеви, течни филмови) да би се добио пројектовани укупни коефицијент преноса топлоте (вредност У-).

Стандарди дизајна попут оних које је објавило Удружење произвођача цевних измењивача (ТЕМА) одређују факторе загађивања за различите течности и материјале цеви. Ове смернице су резултат деценија индустријског искуства са металним цевима (угљенични челик, нерђајући челик, адмиралски месинг, итд.). Ако се зна да површина цеви подстиче пријањање наслага, онда се за дату течност и услугу примењује већи фактор загађивања.

Утицај храпавости површине на прљање
Запрљаност зависи од храпавости површине, као што је опште познато. Груба површина:

Повећава ефективну површину за нуклеацију наслага

Механичке локације за спајање кристала или биофилма за сидрење.

Ствара стационарне зоне у површинским коритима где се може развити локализована презасићеност и микробиолошки раст.

Наслаге су скривене у удубљењима која су заштићена од главног тока, чиме се успорава смицање уклањања наслага протоком флуида.

Стога, за дату течност и брзину протока, цев са нижом (глађом) храпавошћу површине ће имати нижу стопу зарастања и нижу равнотежну отпорност на зарастање. Ово важи и за металне и за полимерне цеви.

Природна храпавост површине ПТФЕ-а
Као-Екструдована ПТФЕ цев: глатка од почетка
ПТФЕ цеви се обично производе екструзијом или љуштењем (љуштењем) са гредице. Добијена површина је природно веома глатка. Уобичајене просечне вредности храпавости површине (Ра) за као-екструдирани ПТФЕ су следеће:

Стандардна екструдирана ПТФЕ цев Ра=0.2 – 0,5 микрометара (µм)

Искривљена ПТФЕ цев: Ра=0.4 – 0,8 µм (мало грубље због поступка сечења)

За поређење, храпавост површине типичних металних цеви које се користе у раду измењивача топлоте је:

Бешавна цев од нерђајућег челика (како је нацртана) Ра=0.8 – 1,5 µм

Бешавна цев од угљеничног челика (-нацртано): Ра=1.0-2.5 µм

Челична цев, заварена, унутрашње чишћење: Ра=2.0 – 5,0 µм (или више)

Цев од нерђајућег челика механички полирана, Ра=0.1 - 0.3 µм (након скупе завршне обраде)

Дакле, чак и -екструдирана ПТФЕ цев обично има површинску храпавост упоредиву са полираном металном цеви. ПТФЕ почиње живот са стакленом-глатком кожом која је већ деценијама испред у рату против најгрубље металне површине са најгрубљем металном површином.

Опција полирања ПТФЕ
ПТФЕ се може додатно полирати механички (коришћењем финих абразива) или пламеним полирањем (отапањем површине да би стекла глатку завршну обраду). Ра ПТФЕ цеви се може полирати до 0,05 – 0,1 µм. Међутим, ова техника повећава трошкове и може утицати на толеранцију димензија цеви. Поред тога, постоји мала практична предност у полирању ПТФЕ-а јер је почетна површина већ толико глатка да је маргинално побољшање запрљања релативно мало.

Утицај храпавости ПТФЕ површине на фактор зарастања
Мала разлика између стандардног и полираног ПТФЕ-а
За одређени процесни флуид и радно стање, смањење фактора запрљања постигнуто полирањем ПТФЕ цеви од Ра=0.4 µм до Ра=0.1 µм је обично минимално, често мање од 5–10% укупне отпорности на прљање. То је зато што је стопа прљања већ прилично ниска на нормалној ПТФЕ површини. Остале наслаге су углавном хемијски везане или оне формиране од презасићених течности где површинска енергија, а не храпавост, покреће адхезију.

У већини дизајна измењивача разлика у потребној количини загађивања између конвенционалне ПТФЕ цеви и полиране је толико мала да спада у безбедносну границу прорачуна. Дакле, полиране ПТФЕ цеви се ретко користе у индустријској пракси само за управљање прљавштином. Стандардне екструдиране ПТФЕ цеви се обично сматрају довољно глатким.

Много већа разлика: ПТФЕ у односу на метал
Велики пораст перформанси загађивања није између нормалног и полираног ПТФЕ, већ између било које ПТФЕ цеви и било које металне цеви. За типичну воду у којој се формира каменац од калцијум карбоната, фактор запрљања који препоручује ТЕМА за цев од угљеничног челика може бити 0,00035 м 2 К/В (за чисту речну воду) до 0,00088 м 2 К/В (за воду расхладног торња). Флуорополимери нису посебно наведени у ТЕМА, иако се за ПТФЕ цев често користи пројектовани фактор загађивања од 0,00009 – 0,00018 м2·К/В. Ово смањење од 50–80% узроковано је комбинованим дејством два фактора:

Ултра-мала површинска храпавост - ПТФЕ нема пукотине или избочине за задржавање наслага.

Веома ниска површинска енергија - ПТФЕ је непријањајући-. Наслаге имају веома ниску силу лепљења и могу се лако уклонити смицањем течности.

Други фактор, површинска енергија, је обично релевантнији од саме храпавости. Чак и савршено глатка метална површина има високу површинску енергију која фаворизује хемијско везивање поларних молекула (вода, јони и органска једињења, нпр.), који после тога делују као прајмери ​​за додатно таложење каменца. Ниска површинска енергија ПТФЕ (18–20 мН/м наспрам 30–50 мН/м за нерђајући челик) значи да се наслаге, ако се појаве, слабо пријањају и могу се уклонити умереним протоком.

Практичне импликације дизајна
ТЕМА Параметри запрљавања и ПТФЕ
ТЕМА стандардне табеле фактора онечишћења не укључују ПТФЕ. Одговорни инжењер мора:

Користите вредност из објављене студије или упутства произвођача (углавном 0,00009 – 0,00018 м²·К/В за чисте услуге, до 0,00035 за тешке услуге скалирања).

Примените фактор редукције на ТЕМА резултат за исту течност на металној цеви. Опште правило: ПТФЕ има фактор запрљања од 20-40% од нерђајућег челика при истим условима.

ПТФЕ је већ на нижој страни полираног метала у погледу храпавости површине, тако да навођење „полирани ПТФЕ“ не мења препоручени фактор запрљања на било који смислен начин.

Када је храпавост површине важна за ПТФЕ
У неким околностима, глаткија ПТФЕ површина (нпр. полирана) може бити гарантована:

Биофармацеутска или прехрамбена производња где неколико рупица или огреботина може да садржи микроорганизме. Ниска површинска енергија ПТФЕ спречава адхезију биофилма, али регулаторни стандарди (нпр. валидација чистог-на- месту) могу захтевати полирану површину (Ра < 0,1 µм). Овде потребу диктирају могућност чишћења и документација, а не било каква приметна промена у фактору термичког онечишћења.

Сервиси са веома малим честицама које се могу механички спојити у површинске дефекте. Опет, нормалан ПТФЕ је прилично гладак, али полирање може да пружи инкременталну предност за суб{1}}микронске честице.

Естетика или спецификација купаца Неки купци захтевају да све влажне површине имају глатку завршну обраду.

Опасност од прекомерног{0}полирања
Преко{0}}полирање ПТФЕ-а може да пружи површину превише глатку за неке сврхе. На пример, у испаривачу или кондензатору падајућег филма, веома глатка површина може да умањи квашење и повећа формирање капљица, а не проток филма, што отежава пренос топлоте. Али то је друга ствар од фаулирања.

Мерење храпавости површине и верификација ПТФЕ
У случају да се жели одређена храпавост, то треба навести као максималну вредност Ра израчунату према међународном стандарду (нпр. ИСО 4287 или АСМЕ Б46.1). Користи се контактни профилометар или -бесконтактни оптички профилатор. Типичне вредности за ПТФЕ:

Стандардни екструдирани ПТФЕ: Ра £ 0,5 микрона

Полирани ПТФЕ: Ра Мањи или једнак 0,1 μм

Огуљени ПТФЕ (не-полирани) Ра< 0.8 µm

За већину примена измењивача топлоте спецификација храпавости није потребна. ПТФЕ цеви, нормална комерцијална завршна обрада, екструдиране.

ЗАКЉУЧАК: ПРЕДНОСТ ВЕЋ ПОСТОЈИ
Глаткија цев увек мање квари. Разлика између основне ПТФЕ цеви и полиране је занемарљива. Сам полимер је већ прилично гладак и има ниску површинску енергију па има огромну предност у односу на било који метал. Ова предност треба да се огледа у фактору загађивања који се приписује ПТФЕ измењивачу. Полирање цеви ретко доводи до значајног смањења отпорности на топлотно загађивање. Оптимална површина против-зарастања је она која је физички глатка и хемијски одбијајућа, а ПТФЕ даје обе ове карактеристике у свом обичном екструдираном облику. За апликације осетљиве на онечишћење{7}}, дизајнери могу безбедно да користе конвенционалне ПТФЕ цеви знајући да ће фактор загађивања бити далеко мањи него код било ког метала и да је даље полирање непотребан луксуз.