Kuidas muutub PTFE-vaheti saastumistegur koos toru pinna karedusega?

Toruseina nanomõõtmeline karedus on oluline lahinguväli sõjas soojusvahetite saastumise vastu. Kare pind on tippude ja orgude maastik, mis pakub miljon pisikest kaitstud ostukohta katlakivikristallidele ja kleepuvatele biokiledele, mille külge haarduda. Poleeritud peegeltasane pind annab sellega võrreldes palju vähem tuge. Seega on saastetegur, disaineri poolt selle vältimatu määrdumise arvessevõtmiseks kasutatud termiline karistus, tundlik toru esialgse pinnakareduse suhtes. Aga PTFE-ga tegeledes on kõik torud juba väga libedad.

Artiklis käsitletakse seost erineva saasteteguri ja PTFE toru pinnakareduse vahel võrreldes metalltorudega ning miks PTFE-le omane siledus muudab poleerimise üleliigseks.

Saastumise teguri mõistmine
Mida määrdumise tegur tähendab
Saastumistegur (soojusvaheti konstruktsioonis tavaliselt tähistatud kui Rf) on täiendav soojustakistus, mida kasutatakse üldises soojusülekande arvutuses, et võtta arvesse sademete järkjärgulist tekkimist soojusülekande pinnal. Need ladestused – katlakivi, sete, bioloogiline areng või keemilise reaktsiooni saadused – moodustavad täiendava isolatsioonikihi, mis aja jooksul halvendab soojusvaheti efektiivsust. Saastumistegur on antud ühikutes m 2 K/W ja lisatakse muude soojustakistuste (toru sein, vedelikukiled) summale, et saada arvutuslik üldine soojusülekandetegur (U- väärtus).

Projekteerimisstandardid, nagu need, mille on avaldanud Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA), määravad erinevate vedelike ja torumaterjalide saastetegurid. Need juhised on aastakümnete pikkuse tööstusliku kogemuse tulemus metalltorudega (süsinikteras, roostevaba teras, Admiraliteedi messing jne). Kui on teada, et toru pind soodustab sademe nakkumist, siis rakendatakse antud vedelikule ja hooldusele suuremat saastumistegurit.

Pinna kareduse mõju saastumisele
Saastumine sõltub laialt teadaolevalt pinna karedusest. Kare pind:

Suurendab ladestuste tuuma tekke efektiivset ala

Mehaanilised lukustuskohad kristallide või biokilede kinnitamiseks.

Loob pinnakünadesse statsionaarsed tsoonid, kus võib tekkida lokaalne üleküllastumine ja mikrobioloogiline kasv.

Sadestused on peidetud süvenditesse, mis on varjestatud põhivoolu eest, aeglustades seeläbi sademete eemaldamist vedelikuvoolu poolt.

Seetõttu on etteantud vedeliku ja voolukiiruse korral väiksema (siledama) pinnakaredusega torul väiksem saastumise kiirus ja madalam tasakaaluline saastumiskindlus. See kehtib nii metall- kui polümeertorude kohta.

PTFE loomulik pinnakaredus
Ekstrudeeritud PTFE toruna-: sujuv algusest peale
PTFE-torusid toodetakse tavaliselt ekstrusiooni või tooriku küljest koorimise (koorimise) teel. Saadud pind on loomulikult väga sile. Tüüpilised keskmise pinnakareduse (Ra) väärtused ekstrudeeritud PTFE{2}} puhul on järgmised:

Standardne ekstrudeeritud PTFE toru Ra=0.2 – 0,5 mikromeetrit (µm)

Kallutatud PTFE toru: Ra=0.4 – 0,8 µm (lõikeprotseduuri tõttu veidi karedam)

Võrdluseks on soojusvaheti töös kasutatavate tüüpiliste metalltorude pinna karedus:

Õmblusteta roostevabast terasest toru (joonisel) Ra=0.8 – 1,5 µm

Õmblusteta süsinikterasest toru (nagu -joonistatud): Ra=1.0-2.5 µm

Terastoru, keevitatud, sisepuhastus: Ra=2.0 – 5,0 µm (või rohkem)

Roostevabast terasest toru mehaaniliselt poleeritud, Ra=0.1 - 0.3 µm (pärast kulukat viimistlust)

Seega on isegi -ekstrudeeritud PTFE-toru pinnakaredus tavaliselt võrreldav poleeritud metalltoruga. PTFE alustab eluiga klaassileda -sileda nahaga, mis on juba aastakümneid ees võitluses kõige karedama ja kõige auklikuma metallpinna vastu.

PTFE poleerimisvõimalus
PTFE-d võib täiendavalt poleerida mehaaniliselt (kasutades peeneid abrasiive) või leekpoleerimisega (pinna sulatamine siledaks viimistluseks). PTFE toru Ra saab poleerida kuni 0,05–0,1 µm. Kuid see tehnika lisab kulusid ja võib mõjutada toru mõõtmete tolerantsi. Lisaks on PTFE poleerimisel vähe praktilisi eeliseid, kuna lähtepind on juba nii sile, et saastumise marginaalne paranemine on suhteliselt väike.

PTFE pinna kareduse mõju saastumistegurile
Väike erinevus standardse ja poleeritud PTFE vahel
Konkreetse protsessivedeliku ja tööoleku korral on PTFE-toru poleerimisel saavutatav saasteteguri vähenemine vahemikus Ra=0.4 µm kuni Ra=0.1 µm tavaliselt minimaalne, sageli alla 5–10% üldisest saastumiskindlusest. Selle põhjuseks on asjaolu, et saastumise määr on tavalisel PTFE-pinnal juba üsna madal. Teised sadestused on tavaliselt keemiliselt seotud või üleküllastunud vedelikest moodustunud sadestused, mille nakkumist soodustab pinnaenergia, mitte karedus.

Enamiku soojusvahetite konstruktsioonide puhul on tavapärase PTFE toru ja poleeritud toru vahelise saastevaru erinevus nii väike, et see jääb arvutuse ohutusvaru piiresse. Seetõttu kasutatakse poleeritud PTFE-torusid tööstuslikus praktikas harva ainult saastumise kõrvaldamiseks. Tavalisi ekstrudeeritud PTFE torusid peetakse tavaliselt piisavalt siledaks.

Palju suurem erinevus: PTFE vs metall
Saastumistõhususe suur tõus ei ole tavalise ja poleeritud PTFE vahel, vaid mis tahes PTFE toru ja mis tahes metalltoru vahel. Tüüpilise vesilahuse puhul, kus moodustub kaltsiumkarbonaadi katlakivi, võib TEMA soovitatud süsinikterasest toru saastumistegur olla 0,00035 m 2 K/W (puhta jõevee puhul) kuni 0,00088 m 2 K/W (jahutustorni vee puhul). Fluorpolümeerid ei ole TEMA-s konkreetselt loetletud, kuigi PTFE-toru puhul kasutatakse sageli kavandatud saastetegurit 0,00009–0,00018 m2·K/W. See 50–80% langus on tingitud kahe teguri koosmõjust:

Ultra-madal pinnakaredus - PTFE-l ei ole pragusid ega lõhesid, mis hoiaksid sadestusi.

Väga madal pinnaenergia - PTFE on mittenakkuv-. Ladestustel on väga väike kleepuvusjõud ja neid saab hõlpsasti vedela nihkega ära pühkida.

Teine tegur, pinnaenergia, on tavaliselt olulisem kui karedus üksi. Isegi täiesti sile metallpind on kõrge pinnaenergiaga, mis soodustab polaarsete molekulide (nt vesi, ioonid ja orgaanilised ühendid) keemilist sidumist, mis seejärel toimivad kruntidena täiendava katlakivi sadestumise jaoks. PTFE madal pinnaenergia (18–20 mN/m versus 30–50 mN/m roostevaba terase puhul) tähendab, et ladestused on nende tekkimisel nõrgalt kleepunud ja neid saab eemaldada mõõduka vooluga.

Praktilised disaini tagajärjed
TEMA saastumise parameetrid ja PTFE
TEMA standardsed saastetegurite tabelid ei sisalda PTFE-d. Vastutav insener peab:

Kasutage avaldatud uuringu või tootja juhiste väärtust (tavaliselt 0,00009–0,00018 m²·K/W puhaste teenuste puhul, kuni 0,00035 tõsiste mastaabiteenuste puhul).

Rakendage sama vedeliku TEMA tulemusele vähendamistegurit metalltorul. Rusikareegel: PTFE saastumistegur on samadel tingimustel 20–40% roostevaba terase omast.

PTFE on juba pinnakareduse poolest poleeritud metalli madalaim, seega ei muuda "poleeritud PTFE" määramine soovitatud saastetegurit olulisel määral.

Millal on pinna karedus PTFE puhul oluline?
Mõnel juhul võib PTFE siledam pind (nt poleeritud) olla õigustatud:

Biofarmatseutiline või toiduainete tootmine, kus mõned süvendid või kriimustused võivad sisaldada mikroorganisme. PTFE madal pinnaenergia takistab biokile adhesiooni, kuid regulatiivsed standardid (nt puhta-kohas-valideerimine) võivad vajada poleeritud pinda (Ra < 0,1 µm). Siin tingib vajaduse puhastatavus ja dokumentatsioon, mitte mingigi märgatav muutus termilises saasteteguris.

Teenused väga väikeste tahkete osakestega, mis võivad mehaaniliselt pinnadefekte tekitada. Tavaline PTFE on jällegi üsna sujuv, kuid poleerimine võib anda sub{1}}mikroniliste osakeste jaoks täiendava eelise.

Esteetika või kliendi spetsifikatsioon Mõned kliendid nõuavad, et kõik märjad pinnad oleksid sileda viimistlusega.

Üle{0}}lihvimise oht
PTFE liigne -poleerimine võib anda teatud otstarbeks liiga sileda pinna. Näiteks langevas kileaurustis või kondensaatoris võib väga sile pind vähendada märguvust ja suurendada pigem piiskade teket kui kile voolu, mis kahjustab soojusülekannet. Kuid see on hoopis teine ​​asi kui saastumine.

PTFE pinna kareduse mõõtmine ja kontrollimine
Teatud kareduse soovi korral tuleks see näidata rahvusvahelise standardi (nt ISO 4287 või ASME B46.1) järgi arvutatud maksimaalse Ra väärtusena. Kasutatakse kontaktprofiilomeetrit või kontaktivaba optilist profilomeetrit. PTFE tüüpilised väärtused:

Standardne ekstrudeeritud PTFE: Ra £ 0,5 mikronit

Poleeritud PTFE: Ra Väiksem või võrdne 0,1 μm

Skived PTFE (mitte{0}}poleeritud) Ra< 0.8 µm

Enamiku soojusvaheti rakenduste jaoks pole kareduse spetsifikatsiooni vaja. PTFE torud, tavaline kaubanduslik viimistlus, ekstrudeeritud.

KOKKUVÕTE: EELIS ON JUBA OLEMAS
Siledam toru rikub alati vähem. Erinevus tavalise PTFE toru ja poleeritud toru vahel on tühine. Polümeer ise on juba üsna sile ja madala pinnaenergiaga, mistõttu on sellel tohutu eelis kõigi metallide ees. See eelis peaks kajastuma PTFE soojusvahetile omistatud saasteteguris. Torude poleerimine põhjustab harva termilise saastumise takistuse olulist vähenemist. Optimaalne saastumisvastane pind on füüsiliselt sile ja keemiliselt tõrjuv ning PTFE annab mõlemad need omadused oma tavalisel ekstrudeeritud kujul. Saastumistundlikes rakendustes võivad disainerid ohutult kasutada tavalisi PTFE-torusid, teades, et saastumistegur on palju madalam kui mis tahes metalli puhul ja et edasine poleerimine on asjatu luksus.