ปัจจัยการเปรอะเปื้อนของเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE เปลี่ยนแปลงไปตามความหยาบผิวของท่ออย่างไร

ความหยาบระดับนาโนของผนังท่อเป็นสมรภูมิสำคัญในการทำสงครามต่อต้านการเปรอะเปื้อนบนตัวแลกเปลี่ยนความร้อน พื้นผิวที่ขรุขระคือภูมิประเทศของยอดเขาและหุบเขา ทำให้มีจุดซื้อเล็กๆ หลายล้านจุดที่ได้รับการคุ้มครองสำหรับผลึกเกล็ดและแผ่นชีวะเหนียวๆ เพื่อยึดเกาะ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว พื้นผิวที่เรียบและเงางามเหมือนกระจกจะให้การยึดเกาะที่น้อยกว่ามาก ดังนั้นปัจจัยการเปรอะเปื้อนซึ่งเป็นโทษทางความร้อนที่นักออกแบบโยนเข้ามาเพื่ออธิบายถึงความสกปรกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้นี้ จึงมีความอ่อนไหวต่อความขรุขระของพื้นผิวเริ่มต้นของท่อ แต่เมื่อต้องรับมือกับ PTFE ท่อทั้งหมดจะลื่นมากอยู่แล้ว

บทความนี้จะกล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยการเปรอะเปื้อนต่างๆ และความหยาบของพื้นผิวท่อ PTFE เมื่อเปรียบเทียบกับท่อโลหะ และเหตุใดความเรียบโดยธรรมชาติของ PTFE จึงทำให้การขัดเงาซ้ำซ้อน

ทำความเข้าใจปัจจัยความเปรอะเปื้อน
ปัจจัยความเปรอะเปื้อนหมายถึงอะไร
ปัจจัยการเปรอะเปื้อน (โดยทั่วไปแสดงเป็น ��Rf​ ในการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน) คือความต้านทานความร้อนเพิ่มเติมที่ใช้ในการคำนวณการถ่ายเทความร้อนโดยรวม เพื่อพิจารณาการพัฒนาที่ก้าวหน้าของคราบสะสมบนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน สิ่งสะสมเหล่านี้ ไม่ว่าจะเป็นขนาด ตะกอน การพัฒนาทางชีวภาพ หรือผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาเคมี จะก่อตัวเป็นฉนวนเพิ่มเติมอีกชั้นหนึ่งซึ่งจะลดประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนเมื่อเวลาผ่านไป ค่าปัจจัยการเปรอะเปื้อนถูกกำหนดไว้ในหน่วย m 2 K/W และบวกเข้ากับผลรวมของความต้านทานความร้อนอื่นๆ (ผนังท่อ ฟิล์มของไหล) เพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมของการออกแบบ (ค่า U-)

มาตรฐานการออกแบบ เช่น ที่เผยแพร่โดย Tubular Exchanger Manufacturing Association (TEMA) ระบุปัจจัยการเปรอะเปื้อนสำหรับของเหลวและวัสดุท่อต่างๆ แนวปฏิบัติเหล่านี้เป็นผลมาจากประสบการณ์ทางอุตสาหกรรมมานานหลายทศวรรษเกี่ยวกับท่อโลหะ (เหล็กกล้าคาร์บอน สแตนเลส ทองเหลืองทหารเรือ ฯลฯ) หากทราบว่าพื้นผิวของท่อส่งเสริมการเกาะติดของคราบสกปรก ของเหลวและการบริการที่กำหนดก็จะมีการใช้ปัจจัยการเปรอะเปื้อนมากขึ้น

อิทธิพลของความหยาบของพื้นผิวต่อการเปรอะเปื้อน
การเปรอะเปื้อนขึ้นอยู่กับความหยาบของพื้นผิวดังที่ทราบกันดี พื้นผิวขรุขระ:

เพิ่มพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเกิดนิวเคลียสของเงินฝาก

ตำแหน่งที่เชื่อมต่อกันทางกลไกสำหรับคริสตัลหรือแผ่นชีวะที่จะยึดเหนี่ยว

สร้างโซนที่อยู่นิ่งในรางน้ำบนพื้นผิวซึ่งสามารถพัฒนาความอิ่มตัวยิ่งยวดและการเจริญเติบโตทางจุลชีววิทยาเฉพาะจุดได้

คราบสะสมจะถูกซ่อนอยู่ในช่องที่ป้องกันจากการไหลหลัก ดังนั้นจึงช่วยชะลอการกำจัดแรงเฉือนของคราบสะสมโดยการไหลของของไหล

ดังนั้น สำหรับของเหลวและความเร็วการไหลที่กำหนด ท่อที่มีความหยาบของพื้นผิวต่ำกว่า (เรียบเนียนกว่า) มีแนวโน้มที่จะมีอัตราการเปรอะเปื้อนต่ำกว่าและมีความต้านทานการเปรอะเปื้อนที่สมดุลต่ำกว่า ใช้ได้กับทั้งท่อโลหะและท่อโพลีเมอร์

ความหยาบผิวตามธรรมชาติของ PTFE
เนื่องจาก-ท่อ PTFE อัดรีด: เรียบเนียนตั้งแต่เริ่มต้น
ท่อ PTFE ปกติผลิตโดยการอัดขึ้นรูปหรือโดยการลอก (ลอก) จากเหล็กแท่ง พื้นผิวที่ได้จะเรียบเนียนอย่างเป็นธรรมชาติ ค่าความหยาบผิวโดยเฉลี่ย (Ra) โดยทั่วไปสำหรับ -PTFE ที่ถูกอัดขึ้นรูปมีดังนี้:

ท่อ PTFE อัดรีดมาตรฐาน Ra=0.2 – 0.5 ไมโครเมตร (µm)

ท่อ PTFE แบบ Skived: Ra=0.4 – 0.8 µm (มีความหยาบขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากขั้นตอนการตัด)

สำหรับการเปรียบเทียบความหยาบผิวของท่อโลหะทั่วไปที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนความร้อนคือ:

ท่อสแตนเลสไร้ตะเข็บ (ตามที่วาดไว้) Ra=0.8 – 1.5 µm

ท่อเหล็กคาร์บอนไร้ตะเข็บ (ตาม-ที่วาด): Ra=1.0-2.5 µm

ท่อเหล็ก เชื่อม ทำความสะอาดภายใน: Ra=2.0 – 5.0 µm (หรือมากกว่า)

ท่อสเตนเลสสตีลขัดเงาด้วยกลไก Ra=0.1 - 0.3 µm (หลังจากการตกแต่งขั้นสุดท้ายมีราคาแพง)

ดังนั้น แม้แต่ท่อ PTFE-ที่อัดขึ้นรูปก็มักจะมีความหยาบของพื้นผิวเทียบได้กับท่อโลหะขัดเงา PTFE เริ่มต้นชีวิตด้วยผิวที่เรียบเนียนเหมือนแก้ว-ซึ่งล้ำหน้าไปหลายทศวรรษในสงครามการเปรอะเปื้อนกับพื้นผิวโลหะที่หยาบที่สุดและเป็นหลุมมากที่สุด

ตัวเลือกการขัดของ PTFE
PTFE อาจถูกขัดเพิ่มเติมด้วยเครื่องจักร (โดยใช้สารกัดกร่อนละเอียด) หรือโดยการขัดด้วยเปลวไฟ (ละลายพื้นผิวเพื่อให้เรียบเนียน) Ra ของท่อ PTFE สามารถขัดเงาได้ถึง 0.05 – 0.1 µm อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายและอาจส่งผลต่อความทนทานต่อมิติของท่อ นอกจากนี้ การขัดเงา PTFE ในทางปฏิบัติแทบไม่มีประโยชน์เลย เนื่องจากพื้นผิวเริ่มต้นมีความเรียบมากจนการปรับปรุงการเปรอะเปื้อนเล็กน้อยเล็กน้อย

อิทธิพลของความหยาบผิวของ PTFE ต่อปัจจัยการเปรอะเปื้อน
ความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ ระหว่าง PTFE แบบมาตรฐานและแบบขัดเงา
สำหรับของเหลวในกระบวนการและสถานะการทำงานโดยเฉพาะ การลดลงของปัจจัยการเกิดคราบที่เกิดขึ้นจากการขัดท่อ PTFE จาก Ra=0.4 µm ถึง Ra=0.1 µm มักจะน้อยมาก โดยมักจะน้อยกว่า 5–10% ของความต้านทานการเกิดคราบโดยรวม เนื่องจากอัตราการเปรอะเปื้อนบนพื้นผิว PTFE ปกติค่อนข้างต่ำอยู่แล้ว โดยทั่วไปสิ่งสะสมอื่นๆ จะเป็นสิ่งสะสมทางเคมีหรือที่เกิดจากของเหลวอิ่มตัวยวดยิ่ง โดยที่พลังงานพื้นผิวเป็นตัวขับเคลื่อนการยึดเกาะ แทนที่จะเป็นความหยาบ

ในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนส่วนใหญ่ ความแตกต่างในเรื่องค่าเผื่อการเปรอะเปื้อนที่จำเป็นระหว่างท่อ PTFE แบบธรรมดาและท่อที่ผ่านการขัดเงานั้นน้อยมากจนอยู่ภายในขอบเขตความปลอดภัยของการคำนวณ ดังนั้นท่อ PTFE ขัดเงาจึงไม่ค่อยได้ระบุไว้ในทางปฏิบัติทางอุตสาหกรรมเพื่อการจัดการคราบสกปรกเพียงอย่างเดียว ท่อ PTFE อัดมาตรฐานมักจะถือว่าเรียบเพียงพอ

ความแตกต่างที่ใหญ่กว่ามาก: PTFE กับโลหะ
ประสิทธิภาพการเปรอะเปื้อนที่เพิ่มขึ้นอย่างมากไม่ได้เกิดขึ้นระหว่าง PTFE ปกติกับ PTFE ขัดเงา แต่ระหว่างท่อ PTFE และท่อโลหะใดๆ สำหรับการให้บริการในน้ำโดยทั่วไปซึ่งมีการสร้างตะกรันแคลเซียมคาร์บอเนต ปัจจัยการเปรอะเปื้อนที่แนะนำโดย TEMA สำหรับท่อเหล็กคาร์บอนอาจเป็น 0.00035 ม. 2 K/W (สำหรับน้ำในแม่น้ำบริสุทธิ์) ถึง 0.00088 ม. 2 K/W (สำหรับน้ำในหอหล่อเย็น) ฟลูออโรโพลีเมอร์ไม่ได้ระบุไว้เป็นพิเศษใน TEMA แม้ว่าค่าปัจจัยการเปรอะเปื้อนการออกแบบที่ 0.00009 – 0.00018 m2·K/W มักใช้กับท่อ PTFE ก็ตาม การลดลง 50–80 % นี้เกิดจากผลรวมของปัจจัย 2 ประการ:

ความหยาบผิวต่ำพิเศษ- - PTFE ไม่มีรอยแยกหรือความไม่แน่นอนในการกักเก็บคราบสกปรก

พลังงานพื้นผิวต่ำมาก - PTFE ไม่ติด- คราบสกปรกมีแรงยึดเกาะต่ำมากและสามารถกวาดออกไปได้ง่ายด้วยแรงเฉือนของไหล

ปัจจัยที่สอง ซึ่งก็คือพลังงานพื้นผิว โดยทั่วไปจะมีความเกี่ยวข้องมากกว่าความหยาบเพียงอย่างเดียว แม้แต่พื้นผิวโลหะที่เรียบเนียนอย่างสมบูรณ์แบบก็มีพลังงานพื้นผิวสูงซึ่งเอื้อให้เกิดพันธะเคมีของโมเลกุลเชิงขั้ว (น้ำ ไอออน และสารประกอบอินทรีย์ เช่น) ซึ่งต่อมาจะทำหน้าที่เป็นไพรเมอร์สำหรับการสะสมตะกรันเพิ่มเติม พลังงานพื้นผิวต่ำของ PTFE (18–20 mN/m เทียบกับ 30–50 mN/m สำหรับเหล็กสเตนเลส) หมายความว่า หากเกิดขึ้น คราบสกปรกจะเกาะติดอย่างหลวมๆ และสามารถกำจัดออกได้ด้วยการไหลปานกลาง

ผลกระทบจากการออกแบบเชิงปฏิบัติ
พารามิเตอร์การเปรอะเปื้อน TEMA และ PTFE
ตารางปัจจัยการเปรอะเปื้อนมาตรฐาน TEMA ไม่รวม PTFE วิศวกรที่รับผิดชอบจะต้อง:

ใช้ค่าจากการศึกษาที่ตีพิมพ์หรือแนวทางของผู้ผลิต (โดยทั่วไปคือ 0.00009 – 0.00018 m²·K/W สำหรับบริการที่สะอาด สูงถึง 0.00035 สำหรับบริการที่มีการปรับมาตราส่วนที่รุนแรง)

ใช้ปัจจัยรีดิวซ์กับผลลัพธ์ TEMA สำหรับของไหลชนิดเดียวกันบนท่อโลหะ หลักทั่วไป: PTFE มีปัจจัยการเปรอะเปื้อน 20-40% ของสแตนเลสในสภาวะเดียวกัน

PTFE อยู่ในระดับต่ำสุดของโลหะขัดเงาในแง่ของความหยาบของพื้นผิว ดังนั้น การระบุ "PTFE ขัดเงา" ไม่ได้ปรับเปลี่ยนค่าปัจจัยการเปรอะเปื้อนที่แนะนำในทางที่มีความหมายใดๆ

เมื่อใดที่ความหยาบของพื้นผิวมีความสำคัญต่อ PTFE
ในบางกรณี พื้นผิว PTFE ที่เรียบกว่า (เช่น ขัดเงา) อาจได้รับการรับประกัน:

การผลิตชีวเภสัชภัณฑ์หรือการผลิตอาหารที่อาจมีหลุมหรือรอยถลอกเพียงไม่กี่แห่งที่เป็นแหล่งสะสมของจุลินทรีย์ พลังงานพื้นผิวที่ต่ำของ PTFE จะป้องกันการยึดเกาะของไบโอฟิล์ม แต่มาตรฐานด้านกฎระเบียบ (เช่น การตรวจสอบความสะอาด-ใน-สถานที่) อาจจำเป็นต้องมีพื้นผิวที่ขัดเงา (Ra < 0.1 µm) ในที่นี้ ความต้องการถูกกำหนดโดยความสามารถในการทำความสะอาดและการจัดทำเอกสาร ไม่ใช่โดยการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ของปัจจัยการเปรอะเปื้อนจากความร้อน

บริการที่มีอนุภาคขนาดเล็กมากซึ่งสามารถประสานกลไกเข้ากับข้อบกพร่องที่พื้นผิวได้ ขอย้ำอีกครั้งว่า PTFE ปกติจะค่อนข้างเรียบเหมือนเดิม แต่การขัดเงาอาจให้ข้อได้เปรียบที่เพิ่มขึ้นสำหรับอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า-ไมครอน

สุนทรียศาสตร์หรือข้อกำหนดของลูกค้า ลูกค้าบางรายต้องการให้พื้นผิวที่เปียกทั้งหมดเพื่อให้ได้ผิวงานที่เรียบเนียน

อันตรายจากการขัดมากเกินไป-
การขัด PTFE มากเกินไป-อาจทำให้พื้นผิวเรียบเกินไปสำหรับวัตถุประสงค์บางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในเครื่องระเหยหรือคอนเดนเซอร์แบบฟิล์มที่ตกลงมา พื้นผิวที่เรียบมากอาจลดความสามารถในการเปียกน้ำและเพิ่มการก่อตัวของหยดมากกว่าการไหลของฟิล์ม ซึ่งจะทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลง แต่นั่นเป็นสิ่งที่แตกต่างจากความเปรอะเปื้อน

การวัดและการตรวจสอบความหยาบผิวของ PTFE
ในกรณีที่ต้องการความหยาบบางอย่าง ควรระบุเป็นค่า Ra สูงสุดที่คำนวณตามมาตรฐานสากล (เช่น ISO 4287 หรือ ASME B46.1) มีการใช้คอนแทคโปรไฟล์โลมิเตอร์หรือออปติคัลโปรไฟล์แบบไม่สัมผัส- ค่าทั่วไปสำหรับ PTFE:

PTFE อัดมาตรฐาน: Ra £ 0.5 ไมครอน

PTFE ขัดเงา: Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.1 μm

Skived PTFE (ไม่{0}}ขัดเงา) Ra< 0.8 µm

สำหรับการใช้งานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องมีข้อกำหนดความหยาบ ท่อ PTFE ผิวสำเร็จเชิงพาณิชย์ตามปกติ ขณะอัดขึ้นรูป

สรุป: ข้อดีมีอยู่แล้ว
ท่อที่เรียบกว่าจะเหม็นน้อยกว่าเสมอ ความแตกต่างระหว่างท่อ PTFE พื้นฐานและท่อขัดเงานั้นน้อยมาก ตัวโพลีเมอร์นั้นค่อนข้างเรียบอยู่แล้วและมีพลังงานพื้นผิวต่ำ ดังนั้นจึงมีข้อได้เปรียบเหนือโลหะใดๆ อย่างมาก ประโยชน์นี้ควรสะท้อนให้เห็นในปัจจัยการเปรอะเปื้อนที่เกิดจากตัวแลกเปลี่ยน PTFE การขัดท่อแทบจะไม่ส่งผลให้ความต้านทานการเปรอะเปื้อนจากความร้อนลดลงอย่างเห็นได้ชัด พื้นผิวป้องกันการเปรอะเปื้อน-ที่เหมาะสมที่สุดคือพื้นผิวที่เรียบทางกายภาพและขับไล่สารเคมี และ PTFE ให้คุณสมบัติทั้งสองนี้ในรูปแบบการอัดขึ้นรูปธรรมดา สำหรับการใช้งานที่มีความละเอียดอ่อน- ต่อการเปรอะเปื้อน นักออกแบบสามารถใช้ท่อ PTFE ทั่วไปได้อย่างปลอดภัย โดยรู้ว่าปัจจัยการเปรอะเปื้อนจะต่ำกว่าโลหะใดๆ มาก และการขัดเพิ่มเติมนั้นหรูหราโดยไม่จำเป็น