Как изменяется степень загрязнения теплообменника из ПТФЭ в зависимости от шероховатости поверхности трубки?

Наноразмерная шероховатость стенок трубок является жизненно важным полем битвы в борьбе с загрязнением теплообменников. Неровная поверхность представляет собой ландшафт вершин и долин, предоставляющий миллион крошечных, защищенных точек входа для кристаллов чешуи и липких биопленок, за которые можно зацепиться. Полированная, зеркально плоская поверхность, напротив, обеспечивает гораздо меньше точек опоры. Таким образом, фактор загрязнения, тепловой штраф, введенный проектировщиком для учета этой неизбежной грязи, чувствителен к исходной шероховатости поверхности трубки. Но при работе с ПТФЭ все трубки уже очень скользкие.

В статье обсуждается взаимосвязь между различным фактором загрязнения и шероховатостью поверхности трубок из ПТФЭ по сравнению с металлическими трубками, а также почему присущая ПТФЭ гладкость делает полировку ненужной.

Понимание фактора загрязнения
Что означает фактор загрязнения
Коэффициент загрязнения (обычно обозначаемый как ��Rf​ в конструкции теплообменника) — это дополнительное тепловое сопротивление, используемое при расчете общей теплопередачи для учета постепенного развития отложений на поверхности теплопередачи. Эти отложения – накипь, осадок, биологические образования или продукты химической реакции – создают дополнительный слой изоляции, который со временем снижает эффективность теплообменника. Коэффициент загрязнения выражается в м 2 К/Вт и добавляется к сумме других тепловых сопротивлений (стенка трубы, пленки жидкости) для получения расчетного общего коэффициента теплопередачи (значение U-).

Стандарты проектирования, например опубликованные Ассоциацией производителей трубчатых теплообменников (TEMA), определяют факторы загрязнения для различных жидкостей и материалов трубок. Эти рекомендации являются результатом десятилетий промышленного опыта работы с металлическими трубами (углеродистая сталь, нержавеющая сталь, адмиралтейская латунь и т. д.). Если известно, что поверхность трубки способствует прилипанию отложений, то для данной жидкости и эксплуатации применяется больший коэффициент загрязнения.

Влияние шероховатости поверхности на загрязнение
Как известно, загрязнение зависит от шероховатости поверхности. Грубая поверхность:

Увеличивает эффективную площадь зарождения отложений

Механические места соединения кристаллов или биопленок для закрепления.

Создает стационарные зоны в поверхностных впадинах, где могут развиваться локальное перенасыщение и микробиологический рост.

Отложения прячутся в углублениях, экранированных от основного потока, тем самым замедляется сдвиговый вынос отложений потоком жидкости.

Следовательно, для данной жидкости и скорости потока трубка с более низкой (более гладкой) шероховатостью поверхности будет иметь меньшую скорость загрязнения и более низкое равновесное сопротивление загрязнению. Это справедливо как для металлических, так и для полимерных трубок.

Естественная шероховатость поверхности ПТФЭ
Как-экструдированная трубка из ПТФЭ: гладкая с самого начала
Трубки из ПТФЭ обычно производятся путем экструзии или снятия пленки (отслаивания) от заготовки. Полученная поверхность, естественно, очень гладкая. Типичные средние значения шероховатости поверхности (Ra) для экструдированного ПТФЭ следующие:

Стандартная трубка из экструдированного ПТФЭ Ra=0.2 – 0,5 микрометра (мкм)

Трубка из ПТФЭ с заточкой: Ra=0.4 – 0,8 мкм (немного шероховатая из-за процедуры резки)

Для сравнения, шероховатость поверхности типичных металлических трубок, используемых в теплообменниках, составляет:

Бесшовная трубка из нержавеющей стали (как показано на рисунке) Ra=0.8 – 1,5 мкм

Бесшовная труба из углеродистой стали (как-нарисовано): Ra=1.0-2.5 мкм.

Стальная труба, сварная, внутренняя очистка: Ra=2.0 – 5,0 мкм (или больше)

Трубка из нержавеющей стали, механически полированная, Ra=0.1 - 0.3 мкм (после дорогостоящей финишной обработки)

Таким образом, даже-экструдированная трубка из ПТФЭ обычно имеет шероховатость поверхности, сравнимую с шероховатостью полированной металлической трубки. ПТФЭ начинает жизнь со стеклянно--гладкой оболочки, которая уже на десятилетия опережает борьбу с загрязнениями на самой шероховатой и изъеденной металлической поверхности.

Вариант полировки ПТФЭ
ПТФЭ можно дополнительно полировать механически (с использованием мелкозернистого абразива) или полировкой пламенем (плавление поверхности до получения гладкой поверхности). Ra трубки из ПТФЭ можно полировать до 0,05–0,1 мкм. Однако этот метод увеличивает затраты и может повлиять на допуск на размер трубки. Кроме того, практическая польза от полировки ПТФЭ невелика, поскольку исходная поверхность уже настолько гладкая, что незначительное улучшение загрязнения относительно невелико.

Влияние шероховатости поверхности ПТФЭ на коэффициент загрязнения
Небольшая разница между стандартным и полированным ПТФЭ
Для конкретной технологической жидкости и рабочего состояния снижение коэффициента загрязнения, достигаемое путем полировки трубки из ПТФЭ от Ra=0.4 мкм до Ra=0.1 мкм, обычно минимально, часто менее 5–10 % от общей стойкости к загрязнению. Это связано с тем, что скорость загрязнения на обычной поверхности ПТФЭ уже довольно низкая. Остальные отложения обычно являются химически связанными или образуются из перенасыщенных жидкостей, где адгезия обусловлена ​​поверхностной энергией, а не шероховатостью.

В большинстве конструкций теплообменников разница в необходимом допуске на загрязнение между обычной трубкой из ПТФЭ и полированной трубкой настолько незначительна, что попадает в пределы расчетного запаса. Следовательно, полированные трубки из ПТФЭ редко используются в промышленной практике только для борьбы с загрязнениями. Стандартные экструдированные трубы из ПТФЭ обычно считаются достаточно гладкими.

Гораздо большая разница: ПТФЭ против металла
Значительное увеличение эффективности загрязнения наблюдается не между обычным и полированным ПТФЭ, а между любой трубкой из ПТФЭ и любой металлической трубкой. Для типичной водной среды, в которой образуется накипь карбоната кальция, коэффициент загрязнения, рекомендованный TEMA для трубы из углеродистой стали, может составлять от 0,00035 м 2 К/Вт (для чистой речной воды) до 0,00088 м 2 К/Вт (для воды градирни). Фторполимеры конкретно не указаны в TEMA, хотя для трубок из ПТФЭ часто используется расчетный коэффициент загрязнения 0,00009–0,00018 м2·К/Вт. Снижение на 50–80 % вызвано совместным действием двух факторов:

Сверх-низкая шероховатость поверхности - ПТФЭ не имеет трещин и неровностей, задерживающих отложения.

Очень низкая поверхностная энергия. - ПТФЭ не-не прилипает. Отложения имеют очень низкую силу сцепления и могут быть легко смыты сдвигом жидкости.

Второй фактор, поверхностная энергия, обычно более важен, чем сама шероховатость. Даже идеально гладкая металлическая поверхность имеет высокую поверхностную энергию, которая способствует химическому связыванию полярных молекул (например, воды, ионов и органических соединений), которые впоследствии действуют как грунтовка для дополнительного осаждения накипи. Низкая поверхностная энергия ПТФЭ (18–20 мН/м против 30–50 мН/м для нержавеющей стали) означает, что отложения, если они возникают, прилипают неплотно и могут быть удалены умеренным потоком.

Практические последствия проектирования
Параметры загрязнения TEMA и ПТФЭ
Таблицы стандартных коэффициентов загрязнения TEMA не включают ПТФЭ. Ответственный инженер обязан:

Используйте значение из опубликованного исследования или рекомендаций производителя (обычно 0,00009–0,00018 м²·К/Вт для чистых услуг и до 0,00035 для услуг с сильным образованием накипи).

Примените коэффициент уменьшения к результату TEMA для той же жидкости на металлической трубке. Эмпирическое правило: коэффициент загрязнения ПТФЭ составляет 20–40 % от коэффициента загрязнения нержавеющей стали при тех же условиях.

ПТФЭ уже находится на нижнем уровне полированного металла с точки зрения шероховатости поверхности, поэтому указание «полированный ПТФЭ» не меняет каким-либо значимым образом рекомендуемый коэффициент загрязнения.

Когда шероховатость поверхности имеет значение для ПТФЭ
В некоторых случаях может потребоваться более гладкая поверхность из ПТФЭ (например, полированная):

Биофармацевтическая или пищевая промышленность, где несколько ямок или царапин могут содержать микроорганизмы. Низкая поверхностная энергия ПТФЭ предотвращает прилипание биопленки, однако нормативные стандарты (например, проверка чистоты-на- месте) могут потребовать полированной поверхности (Ra < 0,1 мкм). Здесь необходимость диктуется возможностью очистки и документацией, а не каким-либо наблюдаемым изменением коэффициента термического загрязнения.

Услуги с очень мелкими частицами, которые могут механически сцепляться с поверхностными дефектами. Опять же, обычный ПТФЭ сам по себе довольно гладкий, но полировка может дать дополнительные преимущества для частиц суб-микронного размера.

Эстетика или требования заказчика Некоторые клиенты требуют, чтобы все смачиваемые поверхности имели гладкую поверхность.

Опасность чрезмерной-полировки
Чрезмерная-полировка ПТФЭ может привести к получению слишком гладкой поверхности для некоторых целей. Например, в испарителе или конденсаторе с падающей пленкой очень гладкая поверхность может уменьшить смачиваемость и увеличить образование капель, а не поток пленки, что ухудшает теплопередачу. Но это другое, чем засорение.

Измерение шероховатости поверхности и проверка ПТФЭ
Если требуется определенная шероховатость, ее следует указывать как максимальное значение Ra, рассчитанное в соответствии с международным стандартом (например, ISO 4287 или ASME B46.1). Используется контактный профилометр или бесконтактный оптический профилометр. Типичные значения для ПТФЭ:

Стандартный экструдированный ПТФЭ: Ra £ 0,5 микрон.

Полированный ПТФЭ: Ra меньше или равно 0,1 мкм.

Заточенный ПТФЭ (не-полированный) Ra< 0.8 µm

Для большинства применений теплообменников указание шероховатости не требуется. Трубы из ПТФЭ, обычная коммерческая отделка, экструдированные.

ВЫВОД: ПРЕИМУЩЕСТВО УЖЕ СУЩЕСТВУЕТ
Более гладкая трубка всегда меньше загрязняется. Разница между обычной трубкой из ПТФЭ и полированной незначительна. Сам полимер уже достаточно гладкий и имеет низкую поверхностную энергию, поэтому имеет огромное преимущество перед любым металлом. Это преимущество должно быть отражено в факторе загрязнения, приписываемом теплообменнику из ПТФЭ. Полировка трубок редко приводит к значительному снижению устойчивости к тепловому загрязнению. Оптимальная поверхность, предотвращающая -обрастание, — это физически гладкая и химически отталкивающая поверхность, а ПТФЭ обеспечивает оба этих свойства в своей обычной экструдированной форме. Для применений,-чувствительных к загрязнению, проектировщики могут смело использовать обычные трубки из ПТФЭ, зная, что фактор загрязнения будет намного ниже, чем для любого металла, и что дальнейшая полировка является ненужной роскошью.