Kā mainās PTFE apmaiņas piesārņojuma koeficients līdz ar caurules virsmas raupjumu?

Caurules sienas nanomēroga nelīdzenums ir būtisks kaujas lauks cīņā pret siltummaiņu piesārņojumu. Nelīdzenā virsma ir virsotņu un ieleju ainava, kas nodrošina miljons mazu, aizsargātu pirkšanas vietu, kur var satvert kristālus un lipīgas bioplēves. Salīdzinājumam, pulēta, spoguļlīdzena virsma nodrošina daudz mazāk balstu. Tādējādi piesārņojuma faktors, termiskais sods, ko dizaineris ieviesa, lai ņemtu vērā šo neizbēgamo netīrību, ir jutīgs pret caurules sākotnējo virsmas raupjumu. Bet, strādājot ar PTFE, visas caurules jau ir ļoti slidenas.

Rakstā aplūkota saistība starp dažādu piesārņojuma faktoru un PTFE caurules virsmas raupjumu, salīdzinot ar metāla caurulēm, un kāpēc PTFE raksturīgais gludums padara pulēšanu lieku.

Izpratne par piesārņojuma faktoru
Ko nozīmē piesārņojuma faktors
Piesārņojuma koeficients (parasti apzīmēts kā ��Rf siltummaiņa konstrukcijā) ir papildu termiskā pretestība, ko izmanto vispārējā siltuma pārneses aprēķinos, lai ņemtu vērā pakāpenisku nosēdumu veidošanos uz siltuma pārneses virsmas. Šīs nogulsnes – katlakmens, nogulsnes, bioloģiskā attīstība vai ķīmiskās reakcijas produkti – veido papildu izolācijas slāni, kas laika gaitā pasliktina siltummaiņa efektivitāti. Piesārņojuma koeficients ir norādīts m 2 K/W vienībās un tiek pievienots citu termisko pretestību summai (caurules siena, šķidruma plēves), lai iegūtu projektēto kopējo siltuma pārneses koeficientu (U-vērtību).

Projektēšanas standarti, piemēram, tie, ko publicējusi Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA), nosaka piesārņojuma faktorus dažādiem šķidrumiem un cauruļu materiāliem. Šīs vadlīnijas ir gadu desmitiem ilgas rūpnieciskās pieredzes rezultāts ar metāla caurulēm (oglekļa tērauds, nerūsējošais tērauds, Admiralitātes misiņš utt.). Ja zināms, ka caurules virsma veicina nosēdumu pielipšanu, tad konkrētajam šķidrumam un servisam tiek piemērots lielāks piesārņojuma koeficients.

Virsmas raupjuma ietekme uz piesārņojumu
Piesārņojums ir atkarīgs no virsmas raupjuma, kā tas ir plaši zināms. Rupja virsma:

Palielina nogulšņu veidošanās efektīvo laukumu

Mehāniskas bloķēšanas vietas kristāliem vai bioplēvēm noenkurošanai.

Veido stacionāras zonas virszemes siles, kur var attīstīties lokāls pārsātinājums un mikrobioloģiska augšana.

Nosēdumi ir paslēpti padziļinājumos, kas ir pasargāti no galvenās plūsmas, tādējādi palēninot nogulšņu bīdes noņemšanu ar šķidruma plūsmu.

Tāpēc pie noteikta šķidruma un plūsmas ātruma caurulei ar zemāku (gludāku) virsmas raupjumu parasti ir mazāks piesārņojuma līmenis un mazāka līdzsvara pretestība piesārņojumam. Tas attiecas gan uz metāla, gan polimēru caurulēm.

PTFE dabiskās virsmas raupjums
Kā-ekstrudēta PTFE caurule: gluda no sākuma
PTFE caurules parasti ražo ar ekstrūzijas palīdzību vai atdalot (nolobot) no sagataves. Iegūtā virsma dabiski ir ļoti gluda. Tipiskās vidējās virsmas raupjuma (Ra) vērtības kā-ekstrudētam PTFE ir šādas:

Standarta ekstrudēta PTFE caurule Ra=0.2 – 0,5 mikrometri (µm)

Izslīpēta PTFE caurule: Ra=0.4 – 0,8 µm (nedaudz raupjāka griešanas procedūras dēļ)

Salīdzinājumam tipisku metāla cauruļu virsmas raupjums, ko izmanto siltummaiņa darbībā, ir:

Bezšuvju nerūsējošā tērauda caurule (kā zīmējums) Ra=0.8 – 1,5 µm

Bezšuvju oglekļa tērauda caurule (kā -nozīmēta): Ra=1.0-2.5 µm

Tērauda caurule, metināta, iekšpuses tīrīšana: Ra=2.0 – 5,0 µm (vai vairāk)

Nerūsējošā tērauda caurule mehāniski pulēta, Ra=0.1 - 0.3 µm (pēc dārgas apdares)

Tādējādi pat ekstrudētai PTFE caurulei parasti ir virsmas raupjums, kas ir pielīdzināms pulētai metāla caurulei. PTFE sāk dzīvi ar stikla-gludu ādu, kas jau ir gadu desmitiem uz priekšu cīņā pret rupjāko, visvairāk bedrīšu metāla virsmu.

PTFE pulēšanas iespēja
PTFE var tālāk pulēt mehāniski (izmantojot smalkus abrazīvus) vai ar liesmas pulēšanu (virsmas kausēšanu, lai iegūtu gludu apdari). PTFE caurules Ra var pulēt līdz 0,05–0,1 µm. Tomēr šis paņēmiens palielina izmaksas un var ietekmēt caurules izmēru pielaidi. Turklāt PTFE pulēšanai ir maz praktisku priekšrocību, jo sākuma virsma jau ir tik gluda, ka minimālais piesārņojuma uzlabojums ir salīdzinoši neliels.

PTFE virsmas raupjuma ietekme uz piesārņojuma faktoru
Neliela atšķirība starp standarta un pulētu PTFE
Konkrētam procesa šķidrumam un darbības stāvoklim piesārņojuma koeficienta samazinājums, kas panākts, pulējot PTFE cauruli no Ra=0.4 µm līdz Ra=0.1 µm, parasti ir minimāls, bieži vien mazāks par 5–10% no kopējās piesārņojuma pretestības. Tas ir tāpēc, ka piesārņojuma līmenis jau ir diezgan zems uz parastās PTFE virsmas. Pārējie nosēdumi parasti ir ķīmiski saistīti vai tie, kas veidojas no pārsātinātiem šķidrumiem, kur virsmas enerģija, nevis raupjums, veicina saķeri.

Lielākajā daļā siltummaiņu konstrukciju atšķirība starp parasto PTFE cauruli un pulēto cauruli nepieciešamajā piesārņojuma pieļaujamajā daudzumā ir tik neliela, ka ietilpst aprēķina drošības robežās. Tāpēc rūpnieciskajā praksē pulētas PTFE caurules reti tiek izmantotas tikai piesārņojuma novēršanai. Standarta ekstrudētās PTFE caurules parasti tiek uzskatītas par pietiekami gludām.

Daudz lielāka atšķirība: PTFE pret metālu
Lielais piesārņojuma veiktspējas pieaugums nav starp parasto un pulēto PTFE, bet starp jebkuru PTFE cauruli un jebkuru metāla cauruli. Tipiskai ūdens izmantošanai, kurā veidojas kalcija karbonāta nogulsnes, TEMA ieteiktais piesārņojuma koeficients oglekļa tērauda caurulei var būt no 0,00035 m 2 K/W (tīram upes ūdenim) līdz 0,00088 m 2 K/W (dzesēšanas torņa ūdenim). Fluorpolimēri nav īpaši uzskaitīti TEMA, lai gan PTFE caurulei bieži tiek izmantots projektētais piesārņojuma koeficients 0,00009–0,00018 m2·K/W. Šo 50–80% samazinājumu izraisa divu faktoru kopējā ietekme:

Īpaši-zems virsmas raupjums - PTFE nav plaisu vai caurumu, kas noturētu nogulsnes.

Ļoti zema virsmas enerģija - PTFE ir nelipīgs-. Nosēdumiem ir ļoti mazs adhēzijas spēks, un tos var viegli noslaucīt ar šķidruma bīdi.

Otrais faktors, virsmas enerģija, parasti ir svarīgāks par raupjumu. Pat perfekti gludai metāla virsmai ir augsta virsmas enerģija, kas veicina polāro molekulu (piemēram, ūdens, jonu un organisko savienojumu) ķīmisko saiti, kas pēc tam darbojas kā gruntskrāsas papildu katlakmens nogulsnēšanai. PTFE zemā virsmas enerģija (18–20 mN/m pret 30–50 mN/m nerūsējošajam tēraudam) nozīmē, ka nogulsnes, ja tādas rodas, ir vāji pielipušas un var tikt noņemtas ar mērenu plūsmu.

Praktiskā dizaina ietekme
TEMA piesārņojuma parametri un PTFE
TEMA standarta piesārņojuma koeficientu tabulās nav iekļauts PTFE. Atbildīgajam inženierim:

Izmantojiet vērtību no publicēta pētījuma vai ražotāja vadlīnijām (parasti 0,00009–0,00018 m²·K/W tīriem pakalpojumiem, līdz 0,00035 nopietniem mērogošanas pakalpojumiem).

Piemērojiet samazinājuma koeficientu TEMA rezultātam tam pašam šķidrumam uz metāla caurules. Īkšķis: PTFE piesārņojuma koeficients ir 20–40% no nerūsējošā tērauda tādos pašos apstākļos.

PTFE virsmas raupjuma ziņā jau ir pulēta metāla zemākajā līmenī, tāpēc norāde "pulētais PTFE" nekādā veidā nemaina ieteicamo piesārņojuma koeficientu.

Kad virsmas raupjumam ir nozīme PTFE?
Dažos gadījumos var būt garantēta gludāka PTFE virsma (piemēram, pulēta):

Biofarmaceitiskā vai pārtikas ražošana, kur dažas bedrītes vai skrāpējumi var saturēt mikroorganismus. PTFE zemā virsmas enerģija novērš bioplēves adhēziju, taču saskaņā ar normatīvajiem standartiem (piemēram, tīras -vietā- validācija) var būt nepieciešama pulēta virsma (Ra < 0,1 µm). Šeit nepieciešamību nosaka tīrāmība un dokumentācija, nevis kādas novērojamas termiskā piesārņojuma faktora izmaiņas.

Pakalpojumi ar ļoti mazām daļiņām, kas var mehāniski bloķēties virsmas defektos. Arī parastais PTFE ir diezgan gluds, taču pulēšana var sniegt papildu priekšrocības sub-mikronu daļiņām.

Estētika vai klienta specifikācija Daži klienti pieprasa, lai visām samitrinātajām virsmām būtu gluda apdare.

Pārmērīgas{0}}pulēšanas risks
Pārmērīga-PTFE pulēšana dažiem nolūkiem var nodrošināt pārāk gludu virsmu. Piemēram, krītošā plēves iztvaicētājā vai kondensatorā ļoti gluda virsma var samazināt mitrināmību un palielināt pilienu veidošanos, nevis plēves plūsmu, kas pasliktina siltuma pārnesi. Bet tas ir kas cits nekā piesārņojums.

Virsmas raupjuma mērīšana un PTFE pārbaude
Ja ir nepieciešams zināms raupjums, tas jānorāda kā maksimālā Ra vērtība, kas aprēķināta saskaņā ar starptautisku standartu (piemēram, ISO 4287 vai ASME B46.1). Tiek izmantots kontakta profilometrs vai bezkontakta optiskais profilētājs. Tipiskās PTFE vērtības:

Standarta ekstrudētais PTFE: Ra £ 0,5 mikroni

Pulēts PTFE: Ra mazāks vai vienāds ar 0,1 μm

Slīpēts PTFE (ne{0}}pulēts) Ra< 0.8 µm

Lielākajai daļai siltummaiņu lietojumu raupjuma specifikācija nav nepieciešama. PTFE caurules, parasta komerciāla apdare, kā ekstrudēta.

SECINĀJUMS: PRIEKŠROCĪBA JAU PASTĀV
Gludāka caurule vienmēr pārkāpj mazāk. Atšķirība starp pamata PTFE cauruli un pulētu ir niecīga. Pats polimērs jau ir diezgan gluds un tam ir zema virsmas enerģija, tāpēc tam ir milzīgas priekšrocības salīdzinājumā ar jebkuru metālu. Šis ieguvums ir jāatspoguļo PTFE apmaiņas piesārņojuma faktorā. Cauruļu pulēšana reti rada būtisku termiskās piesārņojuma pretestības samazināšanos. Optimālā pret-apaugšanas virsma ir fiziski gluda un ķīmiski atbaidoša, un PTFE nodrošina abas šīs īpašības parastajā ekstrudētā veidā. Lietojot{7}, kas ir jutīgs pret piesārņojumu, dizaineri var droši izmantot parastās PTFE caurules, zinot, ka piesārņojuma koeficients būs daudz zemāks nekā jebkuram metālam un ka turpmāka pulēšana ir nevajadzīga greznība.