Come rilevare e misurare lo spessore di un biofilm all'interno di un tubo per scambiatore di calore in PTFE?

Se utilizzato con acqua calda di fiume, condensa riciclata o flussi di processo ricchi di nutrienti-, uno strato biologico viscido potrebbe crescere lentamente sulle pareti del tubo interno di uno scambiatore di calore in PTFE. Questo biofilm è solitamente innocuo nelle prime fasi della formazione poiché i cambiamenti nella caduta di pressione sono piuttosto minimi. Tuttavia, le prestazioni termiche possono deteriorarsi rapidamente quando lo strato vivo forma una copertura isolante tra il fluido di processo e la parete del tubo. Quello strato biologico nascosto ora può essere misurato direttamente all’interno dello scambiatore con moderni strumenti di ispezione, trasformando la pianificazione della manutenzione da una stima ad un’analisi quantitativa.

Il problema nell'esame del tubo dello scambiatore in PTFE per la valutazione dello spessore del biofilm è quello di rilevare uno strato morbido e trasparente che può avere uno spessore di solo decine o centinaia di micron mentre lo scambiatore è per lo più intatto.

Perché il biofilm è un vero problema termico
I biofilm sono popolazioni di microrganismi organizzati in una matrice di sostanze polimeriche da loro stessi prodotte e che si attaccano ad una superficie.

I biofilm tendono ad accumularsi all’interno dei tubi scambiatori in PTFE, quando:

C'è acqua calda

Nutrienti disponibili

Sono presenti zone di ristagno del flusso.

Sviluppo di film per il condizionamento superficiale

Lo strato biologico può avere:

Batteri

FUNGO

Alga.

Materia biologica

Grani minerali

La diminuzione delle prestazioni termiche può essere sostanziale anche per biofilm relativamente sottili poiché il materiale biologico ha una scarsa conduttività termica rispetto all'acqua in movimento.

Il biofilm è spesso morbido e poroso, a differenza delle scaglie minerali dure. Ciò suggerisce che potrebbero non verificarsi aumenti significativi nella caduta di pressione dello scambiatore finché la gravità della crescita non diventa elevata.

Questa caratteristica rende difficile rilevare il deprezzamento del calore con il solo monitoraggio idraulico tipico.

Perché i biofilm possono ancora formarsi sui tubi in PTFE
Il PTFE ha una superficie liscia e resistente agli agenti chimici che impedisce l'incrostazione di numerose sostanze. Tuttavia, nessuna superficie dello scambiatore di calore industriale è esente da proliferazione biologica.

Alla fine, gli strati condizionanti basati su molecole organiche potrebbero consentire ai microrganismi di attaccarsi alla parete del tubo.

Una volta sviluppato, il biofilm potrebbe continuare a crescere man mano che i nutrienti passano attraverso lo scambiatore.

Lo sviluppo del biofilm è particolarmente diffuso nei sistemi con:

Acqua per il raffreddamento

Liquami

Recupero della condensa

Acqua dal fiume

Flussi di lavorazione degli alimenti

Circuiti termici a basso flusso

La levigatezza intrinseca delle superfici in PTFE può consentire ai biofilm iniziali di essere visivamente poco appariscenti, ma tuttavia incidere gravemente sul trasferimento di calore.

Perché lo spessore del biofilm è importante?
Pulizia prematura di uno scambiatore di calore sprecato:

Addetti alle pulizie (domestici)

Acqua.

Pausa

Lavoro 1.

Capacità produttiva

Se aspetti troppo a lungo puoi ottenere:

elevata perdita di calore

Maggiore consumo di energia

Contaminazione biologica

Stabilità del processo inferiore

Maggiore tasso di incrostazione

La misurazione diretta dello spessore del biofilm fornisce una base oggettiva per la pianificazione della manutenzione.

Invece di solo:

Tendenze delle cadute di pressione

Variazioni della temperatura di uscita

Ore di funzionamento ca

All'interno dello scambiatore il personale addetto alla manutenzione è in grado di valutare il reale spessore dello strato biologico.

Ciò porta a decisioni di pulizia più efficienti e basate sui dati-.

Ispezione con tomografia a coerenza ottica (OCT).
La tomografia a coerenza ottica (OCT) è una delle tecniche più moderne per la misurazione dello spessore del biofilm e la valutazione del tubo scambiatore in PTFE.

Come viene fatto l'OCT
L'OCT è una tecnica che utilizza la luce del vicino-infrarosso per ottenere immagini in sezione trasversale-ad alta risoluzione di superfici e materiali semi-trasparenti.

La tecnologia è analoga alle tecnologie di imaging medico utilizzate in oftalmologia e diagnostica endoscopica.

Una minuscola sonda OCT flessibile viene introdotta in un tubo scambiatore isolato e pulito

La sonda esegue la scansione della parete interna e i segnali luminosi riflessi vengono elaborati per creare immagini in sezione trasversale- complete.

Vedere lo strato di biofilm
Il sistema OCT può differenziare:

Parete del tubo in PTFE

Strato di biofilm

Interfaccia di flusso del liquido

L'approccio genera immagini strutturali estremamente chiare perché i biofilm sono semi-traslucidi.

È possibile eseguire una biopsia ottica dell'interno della provetta senza rimuovere fisicamente il deposito.

Questa immagine generata consente la misurazione diretta e accurata dello spessore del biofilm.

Capacità di risoluzione.
I sistemi OCT hanno tipicamente una risoluzione assiale di pochi micron.

Ciò consente un facile rilevamento di biofilm più spessi di circa 50 micron.

In molti sistemi industriali è possibile rilevare anche strati biologici più sottili prima che si verifichi un grave deterioramento termico.

Vantaggi dell'OCT
I vantaggi includono:

Misurazione non-distruttiva

Alta risoluzione spaziale

Immagini dal vivo

Misurazione dello spessore

Scambiatore, minimo smontaggio

Questo approccio è particolarmente utile per i sistemi di ricerca, farmaceutici, di semiconduttori e di processo ad alta-purezza in cui la gestione del biofilm è essenziale.

Misurazione ad ultrasuoni dello spessore del biofilm
L'ispezione a ultrasuoni è una procedura più semplice e più utilizzabile sul campo.

Principi degli ultrasuoni
Le onde ultrasoniche ad alta frequenza vengono inviate attraverso la parete del tubo in PTFE.

Il suono acustico colpisce le interfacce tra materiali di varia densità, con parte del segnale che rimbalza verso il sensore.

Le riflessioni possono essere ottenute in condizioni appropriate:

Parete in PTFE

Lo strato di biofilm

Il biofilm entra in contatto con l'acqua

Talvolta è possibile analizzare i tempi e l'ampiezza del segnale per valutare lo spessore del biofilm.

Disposizioni delle sonde
La sonda ad ultrasuoni viene generalmente applicata alla parete esterna del tubo, e lo scambiatore è completamente o parzialmente immerso.

Il PTFE ha un comportamento acustico distinto rispetto ai metalli e richiede un'attenta calibrazione.

La migliore sensibilità per gli strati biologici morbidi si ottiene solitamente con misuratori a ultrasuoni adattati all'immersione ad alta frequenza-.

Limitazioni
Sfide nella misurazione del biofilm a ultrasuoni:

Riflettono debolmente i biofilm morbidi del suono

Il PTFE assorbe l'energia ultrasonica

I depositi irregolari forniscono segnali rumorosi

Nonostante queste restrizioni, le tecnologie ad ultrasuoni sono auspicabili per i seguenti motivi:

Più veloce

Minimamente invasivo

Costo ridotto

Più mobile

Gli approcci ad ultrasuoni possono essere sufficientemente accurati per prendere decisioni di manutenzione per lo screening di routine sul campo.

Importanza della pulizia e della sterilità della sonda
Le sonde di controllo devono essere pulite o sterilizzate prima dell'inserimento nello scambiatore.

Questa precauzione aiuta a prevenire:

Contaminazione incrociata

Introduzione di microrganismi-estranei

Contaminazione del processo

Condizioni microbiologiche disturbate

La pulizia della sonda è particolarmente importante negli ambienti di produzione farmaceutica, di semiconduttori o alimentare.

Una gestione errata può compromettere l'integrità del processo e l'affidabilità della misurazione.

Applicazione dei dati per la pianificazione della manutenzione
Le misurazioni effettuate su numerosi tubi forniscono un quadro più realistico delle condizioni dello scambiatore.

La crescita del biofilm è raramente coerente nel fascio.

Le aree che sembrano avere un rischio di incrostazione più elevato sono spesso:

Aree a bassa velocità

Zone morte

Hotspot

Disturbi in ingresso

Monitorare l’andamento dello spessore del biofilm nel tempo può aiutare a ottimizzare i programmi di manutenzione in modo più efficace.

Vantaggi:

Meno pulizie inutili

Consumo chimico ridotto

Prestazioni di trasferimento del calore migliorate

Maggiore disponibilità degli scambiatori

• Costi operativi inferiori

La scelta di effettuare la manutenzione è-basata sull'evidenza, non reattiva.

Relazione tra spessore del biofilm e prestazioni termiche
I biofilm possono fungere da strati di isolamento termico.

Con spessore crescente:

La resistenza termica aumenta

Riduce il coefficiente di scambio termico

L'efficienza dello scambiatore diminuisce

Poiché il materiale biologico è un cattivo conduttore di calore, anche i film biologici relativamente sottili possono indurre una notevole penalità termica.

Pertanto, la connessione tra lo spessore del biofilm e il deterioramento dovuto al calore è generalmente non-lineare.

Individuare tempestivamente il problema aiuta a evitare che lo scambiatore sia talmente sporco da comprometterne le prestazioni.

Il futuro della diagnosi in-situ delle incrostazioni
Sono in fase di sviluppo metodi di ispezione che migliorano la capacità di valutare le incrostazioni degli scambiatori senza mettere fuori servizio le apparecchiature.

I possibili sviluppi futuri includono:

Scanner robotici automatizzati per tubi

Monitoraggio in ottica

Biosensori integrati

Analisi delle incrostazioni con l'assistenza dell'intelligenza artificiale

Mappe sanitarie dello scambiatore in tempo reale

Man mano che i sistemi di manutenzione diventano sempre più predittivi, la valutazione diretta del biofilm in-situ potrebbe diventare una parte comune della gestione degli scambiatori di calore industriali.

Riepilogo
La formazione di biofilm all'interno dei tubi degli scambiatori di calore in PTFE genera una resistenza termica nascosta che può ridurre drasticamente l'efficienza dello scambiatore molto prima che eventuali cambiamenti nella caduta di pressione diventino evidenti. Tali depositi biologici possono ora essere valutati direttamente in-situ utilizzando tecniche come la tomografia a coerenza ottica e l'esame ultrasonico specifico.

L'esame della misurazione dello spessore del biofilm del tubo scambiatore in PTFE fornisce una base quantitativa per la programmazione della manutenzione, consentendo di prendere decisioni sulla pulizia sulla base del reale accumulo di depositi, piuttosto che su ipotesi o intervalli fissi. Le tecnologie OCT possono visualizzare il biofilm con una risoluzione micron e separare i diversi strati del biofilm. Le tecniche ad ultrasuoni sono più semplici e possono essere utilizzate sul campo per il monitoraggio continuo.

Quantificare la valutazione delle incrostazioni come procedura diagnostica consente di ottimizzare la pulizia dello scambiatore per mantenere l'efficienza termica e ridurre l'uso non necessario di prodotti chimici e i tempi di inattività. La conoscenza dello spessore dello strato biologico tipicamente avvia la regolazione dello strato biologico nel mantenimento termico.