Come cambia il fattore di incrostazione di uno scambiatore in PTFE con la rugosità superficiale del tubo?

La rugosità su scala nanometrica delle pareti dei tubi è un campo di battaglia vitale nella guerra contro le incrostazioni sugli scambiatori di calore. Una superficie ruvida è un paesaggio di picchi e valli, che fornisce un milione di minuscoli punti di appoggio protetti a cui aggrapparsi a cristalli di scaglie e biofilm appiccicosi. Una superficie lucida e piatta a specchio, in confronto, fornisce molti meno punti d’appoggio. Quindi il fattore di incrostazione, una penalità termica introdotta da un progettista per tenere conto di questa sporcizia inevitabile, è sensibile alla ruvidità superficiale iniziale del tubo. Ma quando si tratta di PTFE, tutti i tubi sono già molto scivolosi.

L'articolo discute la relazione tra il diverso fattore di incrostazione e la ruvidità della superficie del tubo in PTFE rispetto ai tubi metallici, e il motivo per cui la levigatezza intrinseca del PTFE rende ridondante la lucidatura.

Comprendere il fattore di incrostazione
Cosa significa il fattore di incrostazione
Il fattore di incrostazione (comunemente rappresentato come ��Rf​ nella progettazione dello scambiatore di calore) è una resistenza termica aggiuntiva utilizzata nel calcolo complessivo del trasferimento di calore per tenere conto dello sviluppo progressivo di depositi sulla superficie di trasferimento del calore. Questi depositi – incrostazioni, sedimenti, sviluppo biologico o prodotti di reazioni chimiche – creano uno strato aggiuntivo di isolamento che nel tempo degrada l'efficacia dello scambiatore. Il fattore di incrostazione è espresso in unità di m 2 K/W e viene aggiunto alla somma delle altre resistenze termiche (parete del tubo, film fluidi) per arrivare al coefficiente di scambio termico complessivo di progetto (valore U-).

Gli standard di progettazione come quelli pubblicati dalla Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) specificano i fattori di incrostazione per diversi fluidi e materiali dei tubi. Queste linee guida sono il risultato di decenni di esperienza industriale con tubi metallici (acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, ottone ammiragliato, ecc.). Se è noto che la superficie del tubo favorisce l'adesione del deposito, allora viene applicato un fattore di incrostazione maggiore per il fluido e il servizio in questione.

Influenza della rugosità superficiale sulle incrostazioni
L'incrostazione dipende dalla rugosità della superficie, come è noto. Una superficie ruvida:

Aumenta l'area effettiva per la nucleazione dei depositi

Posizioni di interblocco meccanico per l'ancoraggio di cristalli o biofilm.

Crea zone stazionarie negli avvallamenti superficiali dove possono svilupparsi sovrasaturazione localizzata e crescita microbiologica.

I depositi sono nascosti in recessi schermati dal flusso principale, rallentando così la rimozione per taglio dei depositi da parte del flusso del fluido.

Pertanto, per un dato fluido e una determinata velocità del flusso, un tubo con una rugosità superficiale inferiore (più liscia) tenderà ad avere un tasso di incrostazione inferiore e una resistenza all'incrostazione di equilibrio inferiore. Questo vale sia per i tubi metallici che per quelli polimerici.

La naturale rugosità superficiale del PTFE
Come-Tubo in PTFE estruso: liscio fin dall'inizio
Il tubo in PTFE viene normalmente prodotto mediante estrusione o pelatura (pelatura) da una billetta. La superficie risultante è naturalmente molto liscia. I valori medi tipici di rugosità superficiale (Ra) per il PTFE tal quale-estruso sono i seguenti:

Tubo in PTFE estruso standard Ra=0.2 – 0,5 micrometri (μm)

Tubo in PTFE rasato: Ra=0.4 – 0,8 µm (leggermente più ruvido a causa della procedura di taglio)

Per fare un confronto, la rugosità superficiale dei tipici tubi metallici utilizzati negli scambiatori di calore è:

Tubo in acciaio inossidabile senza saldatura (come disegnato) Ra=0.8 – 1,5 µm

Tubo in acciaio al carbonio senza saldatura (come-disegnato): Ra=1.0-2.5 µm

Tubo in acciaio, saldato, pulizia interna: Ra=2.0 – 5,0 µm (o superiore)

Tubo in acciaio inossidabile lucidato meccanicamente, Ra=0.1 - 0.3 µm (dopo costosa finitura)

Pertanto, anche un tubo in PTFE così-estruso presenta in genere una ruvidità superficiale paragonabile a un tubo di metallo lucidato. Il PTFE nasce con una superficie liscia come il vetro-che è già decenni avanti nella guerra alle incrostazioni contro la superficie metallica più ruvida e bucherellata.

L'opzione di lucidatura del PTFE
Il PTFE può essere ulteriormente lucidato meccanicamente (utilizzando abrasivi fini) o mediante lucidatura a fiamma (fondendo la superficie per ottenere una finitura liscia). La Ra di un tubo in PTFE può essere lucidata fino a 0,05 – 0,1 µm. Tuttavia questa tecnica comporta costi aggiuntivi e può influire sulla tolleranza dimensionale del tubo. Inoltre, vi è uno scarso vantaggio pratico nella lucidatura del PTFE poiché la superficie iniziale è già così liscia che il miglioramento marginale delle incrostazioni è relativamente piccolo.

Influenza della rugosità superficiale del PTFE sul fattore di incrostazione
La piccola differenza tra PTFE standard e lucidato
Per un particolare fluido di processo e stato operativo, la riduzione del fattore di incrostazione ottenuta lucidando un tubo in PTFE da Ra=0.4 µm a Ra=0.1 µm è solitamente minima, spesso inferiore al 5–10% della resistenza complessiva alle incrostazioni. Questo perché il tasso di incrostazione è già piuttosto basso sulla normale superficie del PTFE. Gli altri depositi sono generalmente quelli legati chimicamente o quelli formati da fluidi sovrasaturi dove l'energia superficiale, piuttosto che la rugosità, guida l'adesione.

Nella maggior parte dei progetti di scambiatori, la differenza nella tolleranza di incrostazione necessaria tra un tubo in PTFE convenzionale e uno lucidato è così minima da rientrare nel margine di sicurezza del calcolo. Pertanto, nella pratica industriale, i tubi in PTFE lucidato vengono raramente utilizzati esclusivamente per la gestione delle incrostazioni. I tubi in PTFE estruso standard sono generalmente considerati sufficientemente lisci.

La differenza molto più grande: PTFE vs metallo
Il notevole aumento delle prestazioni anti-incrostazione non si verifica tra il PTFE normale e quello lucidato, ma tra qualsiasi tubo in PTFE e qualsiasi tubo metallico. Per un tipico servizio acquoso in cui si formano incrostazioni di carbonato di calcio, il fattore di incrostazione consigliato da TEMA per un tubo in acciaio al carbonio può essere compreso tra 0,00035 m 2 K/W (per acqua di fiume pura) e 0,00088 m 2 K/W (per l'acqua della torre di raffreddamento). I fluoropolimeri non sono specificatamente elencati nel TEMA, sebbene per un tubo in PTFE venga spesso utilizzato un fattore di incrostazione di progettazione pari a 0,00009 – 0,00018 m2·K/W. Questa diminuzione del 50–80% è causata dall’effetto combinato di due fattori:

Rugosità superficiale ultra-bassa - Il PTFE non presenta fessure o asperità per trattenere i depositi.

Energia superficiale molto bassa - Il PTFE è anti-aderente. I depositi hanno una forza adesiva molto bassa e possono essere facilmente rimossi con il taglio del fluido.

Il secondo fattore, l’energia superficiale, è tipicamente più rilevante della sola rugosità. Anche una superficie metallica perfettamente liscia ha un'elevata energia superficiale che favorisce il legame chimico delle molecole polari (acqua, ioni e composti organici, ad esempio), che successivamente agiscono come primer per ulteriore deposizione di calcare. La bassa energia superficiale del PTFE (18–20 mN/m contro 30–50 mN/m per l'acciaio inossidabile) significa che i depositi, se si verificano, aderiscono poco e possono essere rimossi con un flusso moderato.

Implicazioni pratiche di progettazione
Parametri di incrostazione TEMA e PTFE
Le tabelle dei fattori di incrostazione standard TEMA non includono il PTFE. L'ingegnere responsabile deve:

Utilizzare un valore tratto da uno studio pubblicato o da una linea guida del produttore (generalmente 0,00009 – 0,00018 m²·K/W per servizi puliti, fino a 0,00035 per servizi con forte ridimensionamento).

Applicare il fattore di riduzione al risultato TEMA per lo stesso fluido su un tubo metallico. Una regola pratica: il PTFE ha un fattore di incrostazione pari al 20-40% di quello dell'acciaio inossidabile alle stesse condizioni.

Il PTFE si colloca già nella fascia bassa del metallo lucidato in termini di ruvidità superficiale, pertanto specificare "PTFE lucidato" non modifica in alcun modo significativo il fattore di incrostazione raccomandato.

Quando è importante la rugosità superficiale per il PTFE
In alcune circostanze, potrebbe essere giustificata una superficie in PTFE più liscia (ad esempio lucidata):

Produzione biofarmaceutica o alimentare in cui alcuni buchi o graffi possono ospitare microrganismi. La bassa energia superficiale del PTFE impedisce l'adesione del biofilm, tuttavia gli standard normativi (ad esempio la convalida clean-in-place) possono richiedere una superficie lucida (Ra < 0,1 µm). In questo caso la necessità è dettata dalla pulibilità e dalla documentazione, non da alcun cambiamento osservabile nel fattore di incrostazione termica.

Servizi con particelle molto piccole che possono incastrarsi meccanicamente in difetti superficiali. Ancora una volta, il normale PTFE è abbastanza liscio così com'è, ma la lucidatura può fornire un vantaggio incrementale per le particelle inferiori al-micron.

Estetica o specifica del cliente Alcuni clienti richiedono che tutte le superfici bagnate abbiano una finitura liscia.

Il pericolo di un'eccessiva-lucidatura
Un'eccessiva-lucidatura del PTFE potrebbe fornire una superficie troppo liscia per alcuni scopi. Ad esempio, in un evaporatore o condensatore a film cadente, una superficie estremamente liscia potrebbe diminuire la bagnabilità e aumentare la formazione di goccioline anziché il flusso del film, compromettendo il trasferimento di calore. Ma questa è una cosa diversa dal fouling.

Misurazione e verifica della rugosità superficiale del PTFE
Nel caso in cui si desideri una certa rugosità, questa dovrà essere indicata come valore Ra massimo calcolato secondo uno standard internazionale (es. ISO 4287 o ASME B46.1). Viene utilizzato un profilometro a contatto o un profilatore ottico senza-contatto. Valori tipici per PTFE:

PTFE estruso standard: Ra £ 0,5 micron

PTFE lucido: Ra inferiore o uguale a 0,1 μm

PTFE rasato (non-lucidato) Ra< 0.8 µm

Per la maggior parte delle applicazioni con scambiatori di calore non è necessaria una specifica di rugosità. Tubi in PTFE, finitura commerciale normale, come estrusi.

CONCLUSIONE: IL VANTAGGIO ESISTE GIÀ
Un tubo più liscio sporca sempre di meno. La differenza tra un tubo in PTFE base ed uno lucidato è trascurabile. Il polimero stesso è già abbastanza liscio e ha una bassa energia superficiale, quindi presenta un enorme vantaggio rispetto a qualsiasi metallo. Questo vantaggio dovrebbe riflettersi nel fattore di incrostazione attribuito ad uno scambiatore in PTFE. La lucidatura dei tubi raramente determina una diminuzione significativa della resistenza alle incrostazioni termiche. La superficie antivegetativa ottimale- è quella che è fisicamente liscia e chimicamente repellente e il PTFE offre entrambe queste caratteristiche nella sua forma estrusa ordinaria. Per le applicazioni sensibili alle incrostazioni, i progettisti possono tranquillamente utilizzare tubi in PTFE convenzionali sapendo che il fattore di incrostazione sarà molto inferiore rispetto a quello di qualsiasi metallo e che un'ulteriore lucidatura è un lusso inutile.