چگونه ضریب رسوب یک مبدل PTFE با زبری سطح لوله تغییر می کند؟

ناهمواری دیواره لوله در مقیاس نانو یک میدان نبرد حیاتی در جنگ علیه رسوب در مبدل های حرارتی است. سطح ناهموار منظره‌ای از قله‌ها و دره‌ها است که میلیون‌ها نقطه ریز و محافظت‌شده برای خرید بلورهای مقیاس و بیوفیلم‌های چسبنده را فراهم می‌کند. در مقایسه، یک سطح صاف آینه ای صیقلی و صاف، جای پای بسیار کمتری را فراهم می کند. بنابراین عامل رسوب، یک جریمه حرارتی که توسط یک طراح برای توضیح این کثیفی اجتناب ناپذیر پرتاب می شود، به ناهمواری سطح اولیه لوله حساس است. اما هنگام برخورد با PTFE، همه لوله ها در حال حاضر بسیار لغزنده هستند.

این مقاله رابطه بین فاکتور رسوب دهی مختلف و زبری سطح لوله PTFE را در مقایسه با لوله های فلزی مورد بحث قرار می دهد، و اینکه چرا صافی ذاتی PTFE باعث می شود پرداخت کاری اضافی انجام شود.

درک فاکتور رسوب
فاکتور رسوب به چه معناست
عامل رسوب (که معمولاً در طراحی مبدل حرارتی به صورت Rf نشان داده می شود) یک مقاومت حرارتی اضافی است که برای محاسبه انتقال حرارت کلی استفاده می شود تا توسعه تدریجی رسوبات روی سطح انتقال حرارت را در نظر بگیرد. این رسوبات - مقیاس، رسوب، توسعه بیولوژیکی، یا محصولات واکنش شیمیایی - یک لایه اضافی از عایق ایجاد می کنند که کارایی مبدل را در طول زمان کاهش می دهد. ضریب رسوب بر حسب متر مربع K/W داده می‌شود و به مجموع مقاومت‌های حرارتی دیگر (دیواره لوله، فیلم‌های سیال) اضافه می‌شود تا به ضریب انتقال حرارت کلی طراحی (مقدار U{3}}) برسد.

استانداردهای طراحی مانند آنهایی که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل لوله ای (TEMA) منتشر شده است، فاکتورهای رسوب را برای سیالات و مواد لوله مختلف مشخص می کند. این دستورالعمل ها نتیجه دهه ها تجربه صنعتی با لوله های فلزی (فولاد کربن، فولاد ضد زنگ، برنج دریاسالاری و غیره) است. اگر مشخص شود که سطح لوله باعث چسبندگی رسوب می شود، در آن صورت فاکتور رسوب بیشتری برای سیال و سرویس داده شده اعمال می شود.

تاثیر زبری سطح بر رسوب گیری
رسوب به زبری سطح بستگی دارد، همانطور که به طور گسترده شناخته شده است. سطح ناهموار:

منطقه موثر برای هسته زایی رسوبات را افزایش می دهد

مکان های به هم پیوسته مکانیکی برای لنگر انداختن کریستال ها یا بیوفیلم ها.

مناطق ثابتی را در فرورفتگی‌های سطحی ایجاد می‌کند که در آن‌ها فوق اشباع موضعی و رشد میکروبیولوژیکی می‌تواند ایجاد شود.

رسوبات در فرورفتگی های محافظت شده از جریان اصلی پنهان می شوند و در نتیجه حذف برشی رسوبات توسط جریان سیال کاهش می یابد.

بنابراین، برای یک سیال و سرعت جریان معین، لوله ای با زبری سطح کمتر (صاف تر) نرخ رسوب کمتر و مقاومت رسوبی تعادل پایین تری دارد. این برای لوله های فلزی و پلیمری معتبر است.

زبری سطح طبیعی PTFE
به عنوان-لوله PTFE اکسترود شده: صاف از ابتدا
لوله PTFE معمولاً با اکستروژن یا با جدا کردن (لایه برداری) از بیلت تولید می شود. سطح حاصل به طور طبیعی بسیار صاف است. مقادیر متوسط ​​زبری سطح (Ra) برای PTFE اکسترود شده به شرح زیر است:

لوله استاندارد اکسترود شده PTFE Ra=0.2 - 0.5 میکرومتر (μm)

لوله PTFE برش خورده: Ra=0.4 – 0.8 میکرومتر (به دلیل روش برش کمی زبرتر)

برای مقایسه، زبری سطح لوله های فلزی معمولی مورد استفاده در وظیفه مبدل حرارتی به شرح زیر است:

لوله فولادی ضد زنگ بدون درز (طبق شکل) Ra=0.8 – 1.5 میکرومتر

لوله فولادی کربن بدون درز (به شکل-کشیده شده): Ra=1.0-2.5 میکرومتر

لوله فولادی، جوش داده شده، تمیز کردن داخلی: Ra=2.0 – 5.0 میکرومتر (یا بیشتر)

لوله فولادی ضد زنگ به صورت مکانیکی پرداخت شده، Ra=0.1 - 0.3 میکرومتر (پس از اتمام پرهزینه)

بنابراین، حتی یک لوله PTFE اکسترود شده به عنوان-معمولاً زبری سطحی قابل مقایسه با لوله فلزی صیقلی دارد. PTFE زندگی را با پوستی-شیشه‌ای صاف آغاز می‌کند که در حال حاضر چندین دهه در جنگ آلوده علیه خشن‌ترین و حفره‌دارترین سطح فلزی است.

گزینه پرداخت PTFE
PTFE ممکن است بیشتر به صورت مکانیکی (با استفاده از مواد ساینده ریز) یا با پرداخت شعله (ذوب شدن سطح برای جاری شدن به یک سطح صاف) پرداخت شود. Ra یک لوله PTFE را می توان تا 0.05 - 0.1 میکرومتر جلا داد. با این حال، این تکنیک هزینه را اضافه می کند و می تواند بر تحمل ابعاد لوله تأثیر بگذارد. علاوه بر این، مزیت عملی کمی در صیقل دادن PTFE وجود دارد، زیرا سطح شروع در حال حاضر آنقدر صاف است که بهبود حاشیه ای در رسوب گیری نسبتاً کم است.

تاثیر زبری سطح PTFE بر عامل رسوب
تفاوت کوچک بین PTFE استاندارد و صیقلی
برای یک سیال فرآیند و وضعیت عملیاتی خاص، کاهش ضریب رسوب که با صیقل دادن لوله PTFE از Ra=0.4 میکرومتر به Ra=0.1 میکرومتر به دست می‌آید، معمولاً حداقل است، اغلب کمتر از 5-10٪ از مقاومت کلی رسوب‌گیری. این به این دلیل است که میزان رسوب در سطح معمولی PTFE بسیار کم است. سایر رسوبات عموماً رسوباتی هستند که از نظر شیمیایی محدود شده اند یا آنهایی هستند که از سیالات فوق اشباع تشکیل شده اند که در آنها انرژی سطحی، به جای زبری، باعث چسبندگی می شود.

در اکثر طرح‌های مبدل، تفاوت میزان رسوب مورد نیاز بین یک لوله PTFE معمولی و یک لوله صیقلی آنقدر ناچیز است که در حاشیه ایمنی محاسبه قرار می‌گیرد. از این رو، لوله های PTFE صیقلی به ندرت در عمل صنعتی برای مدیریت رسوب به تنهایی مشخص می شوند. لوله های PTFE استاندارد اکسترود شده معمولاً به اندازه کافی صاف در نظر گرفته می شوند.

تفاوت بسیار بزرگتر: PTFE در مقابل فلز
افزایش بزرگ در عملکرد رسوب بین PTFE معمولی و صیقلی نیست، بلکه بین هر لوله PTFE و هر لوله فلزی است. برای یک سرویس آبی معمولی که در آن مقیاس کربنات کلسیم تشکیل می‌شود، فاکتور رسوبی که توسط TEMA برای یک لوله فولادی کربنی توصیه می‌شود ممکن است 0.00035 m 2 K/W (برای آب رودخانه خالص) تا 0.00088 m 2 K/W (برای آب برج خنک‌کننده) باشد. فلوروپلیمرها به طور خاص در TEMA فهرست نشده‌اند، اگرچه ضریب رسوب طراحی 0.00009 - 0.00018 m2·K/W اغلب برای یک لوله PTFE استفاده می‌شود. این کاهش 50 تا 80 درصدی ناشی از اثر ترکیبی دو عامل است:

-زبری سطح فوق العاده کم - PTFE هیچ شکاف یا نازکی برای نگهداری رسوبات ندارد.

انرژی سطحی بسیار کم - PTFE نچسب-است. رسوبات نیروی چسبندگی بسیار کمی دارند و به راحتی با برش سیال از بین می روند.

عامل دوم، انرژی سطح، معمولاً بیشتر از زبری به تنهایی مرتبط است. حتی یک سطح فلزی کاملاً صاف دارای انرژی سطح بالایی است که به پیوند شیمیایی مولکول‌های قطبی (مثلاً آب، یون‌ها و ترکیبات آلی) کمک می‌کند، که متعاقباً به عنوان آغازگر برای رسوب بیشتر در مقیاس عمل می‌کنند. انرژی سطحی پایین PTFE (18-20 میلی نیوتن بر متر در مقابل 30-50 میلی نیوتن بر متر برای فولاد ضد زنگ) به این معنی است که رسوبات، در صورت رخ دادن، به خوبی به هم چسبیده و می توانند با جریان متوسط ​​حذف شوند.

مفاهیم طراحی عملی
پارامترهای رسوب TEMA و PTFE
جداول فاکتور رسوب استاندارد TEMA شامل PTFE نمی شود. مهندس مسئول باید:

از یک مقدار مطالعه منتشر شده یا دستورالعمل سازنده استفاده کنید (معمولاً 0.00009 - 0.00018 m²·K/W برای خدمات تمیز، تا 0.00035 برای خدمات مقیاس بندی شدید).

ضریب کاهش را در نتیجه TEMA برای همان سیال روی یک لوله فلزی اعمال کنید. یک قانون کلی: PTFE دارای ضریب رسوب 20-40 درصد از فولاد ضد زنگ در شرایط یکسان است.

PTFE در حال حاضر از نظر زبری سطح در انتهای پایین فلز صیقلی قرار دارد، بنابراین مشخص کردن "PTFE صیقلی" فاکتور رسوب توصیه شده را به هیچ وجه تغییر نمی دهد.

چه زمانی زبری سطح برای PTFE اهمیت دارد
در برخی شرایط، سطح صاف تر PTFE (به عنوان مثال، صیقلی) ممکن است تضمین شود:

تولید بیوداروها یا مواد غذایی که در آن چند گودال یا خراش می تواند میکروارگانیسم ها را در خود جای دهد. انرژی سطحی پایین PTFE از چسبندگی بیوفیلم جلوگیری می‌کند، اما استانداردهای نظارتی (مثلاً اعتبار-در{4}}در محل) ممکن است نیاز به سطح صیقلی داشته باشد (Ra <0.1 میکرومتر). در اینجا نیاز توسط قابلیت تمیز کردن و مستندات تعیین می شود، نه با تغییر قابل مشاهده در ضریب رسوب حرارتی.

خدماتی با ذرات بسیار ریز که می توانند به صورت مکانیکی به عیوب سطحی متصل شوند. مجدداً، PTFE معمولی همان طور که هست نسبتاً صاف است، اما پولیش ممکن است مزیتی افزایشی برای ذرات زیر-میکرون ایجاد کند.

زیبایی شناسی یا مشخصات مشتری برخی از مشتریان به تمام سطوح خیس شده نیاز دارند تا سطح صافی داشته باشند.

خطر پولیش بیش از حد-
پولیش بیش از حد PTFE ممکن است برای برخی اهداف سطحی بیش از حد صاف ایجاد کند. به عنوان مثال، در یک اواپراتور یا کندانسور فیلم در حال سقوط، یک سطح بسیار صاف ممکن است ترشوندگی را کاهش دهد و تشکیل قطرات را به جای جریان فیلم افزایش دهد، که انتقال حرارت را مختل می کند. اما این یک چیز متفاوت از فول است.

اندازه گیری زبری سطح و تأیید PTFE
در صورتی که زبری خاصی مورد نظر باشد، این باید به عنوان حداکثر مقدار Ra محاسبه شده بر اساس یک استاندارد بین المللی (مثلا ISO 4287 یا ASME B46.1) نشان داده شود. یک نمایه سنج تماسی یا یک نمایه ساز نوری غیر تماسی استفاده می شود. مقادیر معمولی برای PTFE:

PTFE استاندارد اکسترود شده: Ra £ 0.5 میکرون

PTFE جلا: Ra کمتر یا مساوی 0.1 میکرومتر

PTFE (غیر{0}}صیقل‌شده) Ra< 0.8 µm

برای بیشتر کاربردهای مبدل حرارتی به مشخصات زبری نیازی نیست. لوله های PTFE، روکش تجاری معمولی، به صورت اکسترود شده.

نتیجه گیری: مزیت از قبل وجود دارد
لوله صاف تر همیشه کمتر خطا می کند. تفاوت بین یک لوله PTFE پایه و یک لوله صیقلی ناچیز است. خود پلیمر در حال حاضر کاملاً صاف است و انرژی سطحی کمی دارد بنابراین نسبت به هر فلزی برتری زیادی دارد. این مزیت باید در فاکتور رسوب نسبت داده شده به مبدل PTFE منعکس شود. پولیش کردن لوله ها به ندرت منجر به کاهش معنی دار مقاومت در برابر رسوب حرارتی می شود. سطح بهینه ضد رسوب، سطحی است که از نظر فیزیکی صاف و دافع شیمیایی باشد و PTFE هر دو این ویژگی ها را به شکل اکسترود شده معمولی خود می دهد. برای کاربردهای حساس به رسوب{7}}، طراحان می توانند با خیال راحت از لوله های PTFE معمولی استفاده کنند و بدانند که ضریب رسوب بسیار کمتر از هر فلزی خواهد بود و پرداخت بیشتر یک تجمل بی مورد است.