PTFE Eşanjörün Kirlenme Faktörü Borunun Yüzey Pürüzlülüğüne Göre Nasıl Değişir?

Boru duvarının nano ölçekli pürüzlülüğü, ısı eşanjörlerindeki kirlenmeye karşı savaşta hayati bir savaş alanıdır. Pürüzlü bir yüzey, pul kristallerinin ve yapışkan biyofilmlerin tutunabileceği milyonlarca küçük, korumalı satın alma noktası sağlayan, tepeler ve vadilerden oluşan bir manzaradır. Buna kıyasla, cilalı, ayna gibi düz bir yüzey çok daha az dayanak sağlar. Bu nedenle, tasarımcının bu kaçınılmaz pisliği hesaba katmak için uyguladığı termal ceza olan kirlenme faktörü, tüpün başlangıçtaki yüzey pürüzlülüğüne duyarlıdır. Ancak PTFE ile uğraşırken tüm tüpler zaten çok kaygandır.

Makale, metal borularla karşılaştırıldığında farklı kirlenme faktörü ile PTFE boru yüzey pürüzlülüğü arasındaki ilişkiyi ve PTFE'nin doğal pürüzsüzlüğünün cilalamayı neden gereksiz hale getirdiğini tartışıyor.

Kirlenme Faktörünü Anlamak
Kirlenme Faktörünün Anlamı
Kirlenme faktörü (ısı eşanjörü tasarımında genellikle ��Rf​ olarak temsil edilir), ısı transfer yüzeyindeki birikintilerin ilerleyici gelişimini hesaba katmak için genel ısı transferi hesaplamasında kullanılan ek bir termal dirençtir. Kireç, çökelti, biyolojik gelişme veya kimyasal reaksiyon ürünleri gibi bu birikintiler, zamanla eşanjörün etkinliğini azaltan ekstra bir yalıtım katmanı oluşturur. Kirlenme faktörü m 2 K/W biriminde verilir ve tasarımın genel ısı transfer katsayısına (U- değeri) ulaşmak için diğer termal dirençlerin (boru duvarı, akışkan filmleri) toplamına eklenir.

Borulu Eşanjör Üreticileri Birliği (TEMA) tarafından yayınlananlar gibi tasarım standartları, farklı akışkanlar ve boru malzemeleri için kirlenme faktörlerini belirtir. Bu yönergeler, metal borularla (karbon çeliği, paslanmaz çelik, amirallik pirinci vb.) onlarca yıllık endüstriyel deneyimin sonucudur. Boru yüzeyinin birikinti yapışmasını arttırdığı biliniyorsa, söz konusu sıvı ve hizmet için daha büyük bir kirlenme faktörü uygulanır.

Yüzey Pürüzlülüğünün Kirlenmeye Etkisi
Kirlenme yaygın olarak bilindiği gibi yüzey pürüzlülüğüne bağlıdır. Pürüzlü bir yüzey:

Tortuların çekirdeklenmesi için etkili alanı arttırır

Kristallerin veya biyofilmlerin sabitleneceği mekanik kilitleme yerleri.

Lokalize aşırı doygunluğun ve mikrobiyolojik büyümenin gelişebileceği yüzey oluklarında sabit bölgeler oluşturur.

Birikintiler ana akıştan korunan girintilerde gizlenir, böylece sıvı akışı tarafından birikintilerin kesilerek uzaklaştırılması yavaşlatılır.

Bu nedenle, belirli bir akışkan ve akış hızı için, daha düşük (daha pürüzsüz) yüzey pürüzlülüğüne sahip bir tüp, daha düşük kirlenme oranına ve daha düşük denge kirlenme direncine sahip olma eğiliminde olacaktır. Bu hem metal hem de polimer tüpler için geçerlidir.

PTFE'nin Doğal Yüzey Pürüzlülüğü
-Ekstrüzyonlu PTFE Boru Olarak: Baştan İtibaren Pürüzsüz
PTFE boruları normalde ekstrüzyon veya bir kütükten sıyırma (soyma) yoluyla üretilir. Ortaya çıkan yüzey doğal olarak çok pürüzsüzdür. Ekstrüde edilmiş PTFE için-tipik ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri aşağıdaki gibidir:

Standart ekstrüde PTFE boru Ra=0.2 – 0,5 mikrometre (μm)

Tırtıklı PTFE tüp: Ra=0.4 – 0,8 µm (kesme prosedürü nedeniyle biraz daha pürüzlü)

Karşılaştırma için, ısı eşanjörü görevinde kullanılan tipik metal boruların yüzey pürüzlülüğü şöyledir:

Dikişsiz paslanmaz çelik boru (çizildiği gibi) Ra=0.8 – 1,5 µm

Dikişsiz karbon çelik boru (-çizildiği gibi): Ra=1.0-2.5 µm

Çelik boru, kaynaklı, iç temizlik: Ra=2.0 – 5,0 µm (veya daha büyük)

Paslanmaz çelik boru mekanik olarak parlatılmış, Ra=0.1 - 0.3 µm (pahalı bitirme işleminden sonra)

Bu nedenle, -ekstrüde edilmiş bir PTFE tüpü bile tipik olarak cilalı bir metal tüple karşılaştırılabilecek bir yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. PTFE hayata, en pürüzlü, en çukurlu metal yüzeye karşı verdiği kirli savaşta onlarca yıl önde olan, cam-pürüzsüz bir yüzeyle başlar.

PTFE'nin Parlatma Seçeneği
PTFE, mekanik olarak (ince aşındırıcılar kullanılarak) veya alevle cilalama (pürüzsüz bir yüzey elde etmek için yüzeyin eritilmesi) yoluyla daha da cilalanabilir. Bir PTFE tüpün Ra'sı 0,05 – 0,1 µm'ye kadar parlatılabilir. Ancak bu teknik masrafa neden olur ve borunun boyutsal toleransını etkileyebilir. Ek olarak, başlangıç ​​yüzeyi zaten çok pürüzsüz olduğundan, kirlenmedeki marjinal iyileşme nispeten küçük olduğundan, PTFE'nin parlatılmasının pratik avantajı çok azdır.

PTFE yüzey pürüzlülüğünün kirlenme faktörüne etkisi
Standart ve Cilalı PTFE Arasındaki Minik Fark
Belirli bir proses akışkanı ve çalışma durumu için, bir PTFE tüpünün Ra=0.4 µm'den Ra=0.1 µm'ye parlatılmasıyla elde edilen kirlenme faktöründeki azalma genellikle minimum düzeydedir, genellikle genel kirlenme direncinin %5-10'undan azdır. Bunun nedeni kirlenme oranının normal PTFE yüzeyinde zaten oldukça düşük olmasıdır. Diğer birikintiler genellikle kimyasal olarak bağlı olanlardır veya pürüzlülükten ziyade yüzey enerjisinin yapışmayı tetiklediği aşırı doymuş sıvılardan oluşanlardır.

Çoğu eşanjör tasarımında, geleneksel bir PTFE tüpü ile cilalı bir tüp arasındaki gerekli kirlenme payı farkı, hesaplamanın güvenlik marjı dahilinde kalacak kadar küçüktür. Bu nedenle cilalı PTFE tüpler endüstriyel uygulamada tek başına kirlenme yönetimi için nadiren kullanılır. Standart ekstrüde PTFE tüplerin genellikle yeterince pürüzsüz olduğu kabul edilir.

Çok Daha Büyük Fark: PTFE ve Metal
Kirlenme performansındaki büyük artış normal ve cilalı PTFE arasında değil, herhangi bir PTFE tüp ile herhangi bir metal tüp arasındadır. Kalsiyum karbonat tabakasının oluştuğu tipik bir sulu hizmet için, TEMA tarafından karbon çelik boru için önerilen kirlenme faktörü 0,00035 m 2 K/W (saf nehir suyu için) ila 0,00088 m 2 K/W (soğutma kulesi suyu için) olabilir. Bir PTFE tüpü için sıklıkla 0,00009 – 0,00018 m2·K/W'lik bir tasarım kirlenme faktörü kullanılmasına rağmen, floropolimerler TEMA'da özel olarak listelenmemektedir. Bu %50-80'lik azalma iki faktörün birleşik etkisinden kaynaklanmaktadır:

Ultra-düşük yüzey pürüzlülüğü - PTFE'de birikintileri tutacak hiçbir çatlak veya pürüz yoktur.

Çok düşük yüzey enerjili - PTFE yapışmazdır-. Tortular çok düşük yapışma kuvvetine sahiptir ve sıvı kesme kuvvetiyle kolaylıkla süpürülüp giderilebilir.

İkinci faktör olan yüzey enerjisi genellikle tek başına pürüzlülükten daha önemlidir. Mükemmel derecede pürüzsüz bir metalik yüzey bile, daha sonra ilave kireç birikmesi için astar görevi gören polar moleküllerin (örneğin su, iyonlar ve organik bileşikler) kimyasal bağlanmasını destekleyen yüksek yüzey enerjisine sahiptir. PTFE'nin düşük yüzey enerjisi (paslanmaz çelik için 30-50 mN/m'ye karşı 18-20 mN/m), birikintilerin oluşması durumunda gevşek bir şekilde yapıştığı ve orta düzeyde bir akışla giderilebileceği anlamına gelir.

Pratik Tasarım Etkileri
TEMA Kirlenme Parametreleri ve PTFE
TEMA standart kirlenme faktörü tabloları PTFE'yi içermemektedir. Sorumlu mühendis şunları yapmalıdır:

Yayınlanmış bir çalışmadan veya üretici kılavuzundan bir değer kullanın (temiz hizmetler için genellikle 0,00009 – 0,00018 m²·K/W, ciddi ölçeklendirme hizmetleri için 0,00035'e kadar).

Metal bir tüp üzerindeki aynı sıvı için TEMA sonucuna indirgeme faktörünü uygulayın. Temel kural: PTFE'nin kirlenme faktörü, aynı koşullar altında paslanmaz çeliğinkinin %20-40'ı kadardır.

PTFE zaten yüzey pürüzlülüğü açısından cilalı metalin alt ucundadır, dolayısıyla "parlatılmış PTFE"nin belirtilmesi önerilen kirlenme faktörünü anlamlı bir şekilde değiştirmez.

PTFE için yüzey pürüzlülüğü ne zaman önemlidir?
Bazı durumlarda daha pürüzsüz bir PTFE yüzeyi (örn. cilalı) garanti edilebilir:

Birkaç çukur veya sıyrığın mikroorganizmaları barındırabileceği biyofarmasötik veya gıda üretimi. PTFE'nin düşük yüzey enerjisi biyofilm yapışmasını önler ancak düzenleyici standartlar (örneğin, temiz-yerinde{- doğrulama) cilalı bir yüzey gerektirebilir (Ra < 0,1 µm). Burada ihtiyaç, termal kirlenme faktöründe gözlemlenebilir herhangi bir değişiklik tarafından değil, temizlenebilirlik ve belgeleme ile belirlenir.

Yüzey kusurlarına mekanik olarak kenetlenebilen çok küçük parçacıklar içeren hizmetler. Tekrar ediyorum, normal PTFE bu haliyle oldukça pürüzsüzdür ancak cilalama,-mikron altı parçacıklar için artan bir avantaj sağlayabilir.

Estetik veya müşteri spesifikasyonu Bazı müşteriler, tüm ıslak yüzeylerin pürüzsüz bir yüzeye sahip olmasını ister.

Aşırı-parlatma tehlikesi
PTFE'nin-fazla parlatılması bazı amaçlar için fazla pürüzsüz bir yüzey sağlayabilir. Örneğin, düşen bir film buharlaştırıcısında veya yoğunlaştırıcısında, oldukça pürüzsüz bir yüzey, ıslanabilirliği azaltabilir ve film akışı yerine damlacık oluşumunu artırabilir, bu da ısı transferini bozar. Ama bu faul yapmaktan farklı bir şey.

PTFE'nin Yüzey Pürüzlülüğü Ölçümü ve Doğrulanması
Belirli bir pürüzlülük isteniyorsa bu, uluslararası bir standarda (örn. ISO 4287 veya ASME B46.1) göre hesaplanan maksimum Ra değeri olarak belirtilmelidir. Bir temaslı profilometre veya temassız-optik profil oluşturucu kullanılır. PTFE için tipik değerler:

Standart ekstrüde PTFE: Ra £ 0,5 mikron

Cilalı PTFE: Ra 0,1 μm'ye eşit veya daha az

Kaydırılmış PTFE (-parlatılmamış) Ra< 0.8 µm

Çoğu ısı değiştirici uygulaması için pürüzlülük spesifikasyonuna gerek yoktur. PTFE tüpler, normal ticari kaplamalı, ekstrüde edilmiş.

SONUÇ: AVANTAJI ZATEN MEVCUTTUR
Daha pürüzsüz bir tüp her zaman daha az kirlenmeye neden olur. Temel bir PTFE tüp ile cilalı bir tüp arasındaki fark ihmal edilebilir düzeydedir. Polimerin kendisi zaten oldukça pürüzsüzdür ve düşük yüzey enerjisine sahiptir, dolayısıyla herhangi bir metale göre çok büyük bir avantaja sahiptir. Bu fayda, PTFE değiştiriciye atfedilen kirlenme faktörüne yansıtılmalıdır. Tüplerin parlatılması nadiren termal kirlenme direncinde anlamlı bir azalmaya neden olur. Optimum kirlenme önleyici yüzey, fiziksel olarak pürüzsüz ve kimyasal olarak itici olan yüzeydir ve PTFE bu özelliklerin her ikisini de sıradan ekstrüzyon formunda verir. Kirlenmeye- duyarlı uygulamalar için tasarımcılar, kirlenme faktörünün herhangi bir metale göre çok daha düşük olacağını ve daha fazla cilalamanın gereksiz bir lüks olduğunu bilerek geleneksel PTFE tüpleri güvenle kullanabilirler.