Hoe verandert de vervuilingsfactor van een PTFE-wisselaar met de oppervlakteruwheid van de buis?

De ruwheid van de buiswand op nanoschaal is een cruciaal strijdtoneel in de strijd tegen vervuiling van warmtewisselaars. Een ruw oppervlak is een landschap van pieken en dalen, dat een miljoen kleine, beschermde aankooppunten biedt waar kalkkristallen en kleverige biofilms zich aan kunnen vastgrijpen. Een gepolijst, spiegelvlak oppervlak biedt daarentegen veel minder houvast. De vervuilingsfactor, een thermische straf die door een ontwerper wordt opgelegd om rekening te houden met deze onvermijdelijke vervuiling, is dus gevoelig voor de aanvankelijke oppervlakteruwheid van de buis. Maar als het om PTFE gaat, zijn alle buizen al erg glad.

Het artikel bespreekt de relatie tussen verschillende vervuilingsfactoren en de oppervlakteruwheid van PTFE-buizen in vergelijking met metalen buizen, en waarom de inherente gladheid van PTFE polijsten overbodig maakt.

De vervuilingsfactor begrijpen
Wat de vervuilingsfactor betekent
De vervuilingsfactor (doorgaans weergegeven als ��Rf​ in het ontwerp van warmtewisselaars) is een extra thermische weerstand die wordt gebruikt bij de totale berekening van de warmteoverdracht om rekening te houden met de progressieve ontwikkeling van afzettingen op het warmteoverdrachtsoppervlak. Deze afzettingen (aanslag, sediment, biologische ontwikkeling of producten van een chemische reactie) vormen een extra isolatielaag die de effectiviteit van de warmtewisselaar in de loop van de tijd verslechtert. De vervuilingsfactor wordt gegeven in eenheden van m 2 K/W en wordt opgeteld bij de som van de andere thermische weerstanden (buiswand, vloeistoffilms) om te komen tot de totale ontwerpwarmteoverdrachtscoëfficiënt (U--waarde).

Ontwerpnormen zoals gepubliceerd door de Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) specificeren vervuilingsfactoren voor verschillende vloeistoffen en buismaterialen. Deze richtlijnen zijn het resultaat van tientallen jaren industriële ervaring met metalen buizen (koolstofstaal, roestvrij staal, admiraliteitsmessing, enz.). Als bekend is dat het buisoppervlak de hechting van afzettingen bevordert, wordt voor de betreffende vloeistof en dienst een hogere vervuilingsfactor toegepast.

Invloed van oppervlakteruwheid op vervuiling
De vervuiling is, zoals algemeen bekend, afhankelijk van de oppervlakteruwheid. Een ruw oppervlak:

Vergroot het effectieve oppervlak voor kernvorming van afzettingen

Mechanische in elkaar grijpende locaties waar kristallen of biofilms kunnen worden verankerd.

Creëert stationaire zones in oppervlaktetroggen waar plaatselijke oververzadiging en microbiologische groei kunnen ontstaan.

Afzettingen zijn verborgen in uitsparingen die zijn afgeschermd van de hoofdstroom, waardoor de afschuiving van afzettingen door de vloeistofstroom wordt vertraagd.

Daarom zal bij een gegeven vloeistof- en stroomsnelheid een buis met een lagere (gladdere) oppervlakteruwheid de neiging hebben een lagere vervuilingssnelheid en een lagere evenwichtsvervuilingsweerstand te hebben. Dit geldt voor zowel metalen als polymeerbuizen.

De natuurlijke oppervlakteruwheid van PTFE
Als-geëxtrudeerde PTFE-slang: glad vanaf het begin
PTFE-slangen worden normaal gesproken geproduceerd door extrusie of door afschaven (afpellen) van een knuppel. Het resulterende oppervlak is van nature zeer glad. Typische gemiddelde oppervlakteruwheidswaarden (Ra) voor -geëxtrudeerde PTFE zijn als volgt:

Standaard geëxtrudeerde PTFE-buis Ra=0.2 – 0,5 micrometer (μm)

Geschaafde PTFE-buis: Ra=0.4 – 0,8 µm (een beetje ruwer vanwege de snijprocedure)

Ter vergelijking: de oppervlakteruwheid van typische metalen buizen die worden gebruikt bij warmtewisselaars is:

Naadloze roestvrijstalen buis (zoals getekend) Ra=0.8 – 1,5 µm

Naadloze koolstofstalen buis (zoals-getekend): Ra=1.0-2.5 µm

Stalen buis, gelast, inwendige reiniging: Ra=2.0 – 5,0 µm (of groter)

Roestvrijstalen buis mechanisch gepolijst, Ra=0.1 - 0.3 µm (na kostbare afwerking)

Dus zelfs een-geëxtrudeerde PTFE-buis heeft doorgaans een oppervlakteruwheid die vergelijkbaar is met die van een gepolijste metalen buis. PTFE begint zijn leven met een glas-gladde huid die al tientallen jaren voorop loopt in de strijd tegen vervuiling tegen het ruwste metaaloppervlak met de meeste putjes.

De polijstoptie van PTFE
PTFE kan verder mechanisch worden gepolijst (met behulp van fijne schuurmiddelen) of door vlampolijsten (het oppervlak smelten zodat het in een gladde afwerking vloeit). De Ra van een PTFE-buis kan worden gepolijst tot 0,05 – 0,1 µm. Deze techniek brengt echter kosten met zich mee en kan de maattolerantie van de buis beïnvloeden. Bovendien is er weinig praktisch voordeel bij het polijsten van PTFE, omdat het startoppervlak al zo glad is dat de marginale verbetering in vervuiling relatief klein is.

Invloed van de oppervlakteruwheid van PTFE op de vervuilingsfactor
Het kleine verschil tussen standaard en gepolijst PTFE
Voor een bepaalde procesvloeistof en bedrijfstoestand is de vermindering van de vervuilingsfactor die wordt bereikt door het polijsten van een PTFE-buis van Ra=0.4 µm naar Ra=0.1 µm doorgaans minimaal, vaak minder dan 5-10% van de totale vervuilingsweerstand. Dit komt doordat de vervuilingsgraad op het normale PTFE-oppervlak al vrij laag is. De andere afzettingen zijn over het algemeen chemisch gebonden afzettingen of afzettingen die zijn gevormd uit oververzadigde vloeistoffen waarbij oppervlakte-energie, in plaats van ruwheid, de hechting stimuleert.

Bij de meeste wisselaarontwerpen is het verschil in de benodigde vervuilingstolerantie tussen een conventionele PTFE-buis en een gepolijste buis zo klein dat het binnen de veiligheidsmarge van de berekening valt. Daarom worden gepolijste PTFE-buizen in de industriële praktijk zelden gespecificeerd voor alleen het beheersen van vervuiling. Standaard geëxtrudeerde PTFE-buizen worden doorgaans als glad genoeg beschouwd.

Het veel grotere verschil: PTFE versus metaal
De grote stijging in vervuilingsprestaties vindt niet plaats tussen normaal en gepolijst PTFE, maar tussen elke PTFE-buis en elke metalen buis. Voor een typische waterleiding waarin calciumcarbonaataanslag wordt gevormd, kan de door TEMA geadviseerde vervuilingsfactor voor een koolstofstalen buis 0,00035 m 2 K/W (voor zuiver rivierwater) tot 0,00088 m 2 K/W (voor koeltorenwater) bedragen. Fluorpolymeren worden niet specifiek vermeld in TEMA, hoewel voor een PTFE-buis vaak een ontwerpvervuilingsfactor van 0,00009 – 0,00018 m2·K/W wordt gebruikt. Deze afname van 50-80% wordt veroorzaakt door het gecombineerde effect van twee factoren:

Ultra-lage oppervlakteruwheid - PTFE heeft geen scheuren of oneffenheden die afzettingen kunnen vasthouden.

Zeer lage oppervlakte-energie - PTFE plakt niet-. Afzettingen hebben een zeer lage kleefkracht en kunnen gemakkelijk worden weggeveegd met vloeibare afschuiving.

De tweede factor, oppervlakte-energie, is doorgaans relevanter dan alleen de ruwheid. Zelfs een perfect glad metalen oppervlak heeft een hoge oppervlakte-energie die de chemische binding van polaire moleculen (bijvoorbeeld water, ionen en organische verbindingen) bevordert, die vervolgens fungeren als primers voor extra kalkaanslag. De lage oppervlakte-energie van PTFE (18–20 mN/m versus 30–50 mN/m voor roestvrij staal) betekent dat afzettingen, als ze zich voordoen, losjes hechten en door middel van matige stroming kunnen worden verwijderd.

Praktische ontwerpimplicaties
TEMA-vervuilingsparameters en PTFE
De standaardtabellen voor vervuilingsfactoren van TEMA bevatten geen PTFE. De verantwoordelijke ingenieur moet:

Gebruik een waarde uit een gepubliceerd onderzoek of de richtlijn van de fabrikant (doorgaans 0,00009 – 0,00018 m²·K/W voor schone diensten, tot 0,00035 voor diensten met ernstige kalkaanslag).

Pas de reductiefactor toe op het TEMA-resultaat voor dezelfde vloeistof op een metalen buis. Een vuistregel: PTFE heeft onder dezelfde omstandigheden een vervuilingsfactor van 20-40% van die van roestvrij staal.

PTFE bevindt zich al aan de onderkant van gepolijst metaal wat betreft oppervlakteruwheid, dus het specificeren van "gepolijst PTFE" verandert de aanbevolen vervuilingsfactor op geen enkele zinvolle manier.

Wanneer is oppervlakteruwheid van belang voor PTFE?
In sommige omstandigheden kan een gladder PTFE-oppervlak (bijvoorbeeld gepolijst) gerechtvaardigd zijn:

Biofarmaceutische of voedselproductie waarbij een paar putjes of schrammen micro-organismen kunnen herbergen. De lage oppervlakte-energie van PTFE verhindert de hechting van biofilms, maar wettelijke normen (bijv. schone-in- validatie ter plaatse) kunnen een gepolijst oppervlak noodzakelijk maken (Ra < 0,1 µm). Hier wordt de behoefte bepaald door de reinigbaarheid en documentatie, en niet door enige waarneembare verandering in de thermische vervuilingsfactor.

Diensten met zeer kleine deeltjes die mechanisch in oppervlaktedefecten kunnen terechtkomen. Ook hier is normaal PTFE al redelijk glad, maar polijsten kan een steeds groter voordeel opleveren voor sub-microndeeltjes.

Esthetiek of klantspecificatie Sommige klanten eisen dat alle bevochtigde oppervlakken een gladde afwerking hebben.

Het gevaar van overmatig polijsten
Overmatig-polijsten van PTFE kan voor sommige doeleinden een te glad oppervlak opleveren. In een vallende filmverdamper of condensor kan een zeer glad oppervlak bijvoorbeeld de bevochtigbaarheid verminderen en de druppelvorming vergroten in plaats van de filmstroom, wat de warmteoverdracht schaadt. Maar dat is iets anders dan vervuilen.

Oppervlakteruwheidsmeting en verificatie van PTFE
Indien een bepaalde ruwheid gewenst is, dient dit aangegeven te worden als een maximale Ra-waarde berekend volgens een internationale norm (bijvoorbeeld ISO 4287 of ASME B46.1). Er wordt gebruik gemaakt van een contactprofielmeter of een -contactloze optische profiler. Typische waarden voor PTFE:

Standaard geëxtrudeerd PTFE: Ra £ 0,5 micron

Gepolijst PTFE: Ra Kleiner dan of gelijk aan 0,1 μm

Geschaafd PTFE (niet-gepolijst) Ra< 0.8 µm

Voor de meeste warmtewisselaartoepassingen is een ruwheidsspecificatie niet nodig. PTFE-buizen, normale commerciële afwerking, zoals geëxtrudeerd.

CONCLUSIE: HET VOORDEEL BESTAAT REEDS
Een gladdere buis vervuilt altijd minder. Het verschil tussen een standaard PTFE-buis en een gepolijste buis is verwaarloosbaar. Het polymeer zelf is al behoorlijk glad en heeft een lage oppervlakte-energie, waardoor het een enorm voordeel heeft ten opzichte van welk metaal dan ook. Dit voordeel moet worden weerspiegeld in de vervuilingsfactor die aan een PTFE-wisselaar wordt toegeschreven. Het polijsten van de buizen resulteert zelden in een betekenisvolle afname van de weerstand tegen thermische vervuiling. Het optimale aangroeiwerende oppervlak is er een dat fysiek glad en chemisch afstotend is en PTFE biedt beide eigenschappen in zijn gewone geëxtrudeerde vorm. Voor vervuiling-gevoelige toepassingen kunnen ontwerpers veilig conventionele PTFE-buizen gebruiken, wetende dat de vervuilingsfactor veel lager zal zijn dan bij welk metaal dan ook, en dat verder polijsten een onnodige luxe is.