Qual è l'effetto dell'imbrattamento interno del tubo sul-coefficiente di trasferimento di calore convettivo laterale di uno scambiatore in PTFE?

Quando una sottile pellicola di incrostazioni inizia a formarsi all'interno di un tubo liscio in PTFE, il coefficiente di trasferimento del calore potrebbe comportarsi in modo alquanto paradossale. Per un periodo molto breve le prestazioni termiche possono aumentare anche marginalmente. Lo strato iniziale di incrostazione è leggermente ruvido e distrugge lo strato limite normalmente liscio lungo la parete del tubo, producendo ulteriore turbolenza e aumentando la miscelazione del fluido. Questo breve beneficio è tuttavia di breve durata. All’aumentare dello spessore del deposito, l’effetto isolante dello strato di incrostazione prevale su qualsiasi vantaggio derivante dalla turbolenza e le prestazioni di trasferimento di calore dello scambiatore iniziano a diminuire costantemente.

La relazione tra il coefficiente convettivo dell’effetto intasamento del tubo e le prestazioni dello scambiatore in PTFE non è quindi un semplice degrado lineare. Le incrostazioni si sviluppano con il tempo, inizialmente come potenziatore della rugosità e infine come barriera termica dominante.

Cosa succede all'interno di un tubo in Teflon®?
Le prestazioni termiche di uno scambiatore di calore in PTFE sono determinate da una serie di resistenze come segue.

Il calore deve passare attraverso:

Lo strato limite del fluido sul lato del tubo-

Eventuali incrostazioni depositate

Parete del tubo in PTFE

Lo strato limite fluido sul lato del guscio

L'intero coefficiente di trasferimento termico dello scambiatore si basa sulla resistenza termica totale, generalmente chiamata valore U-.

Con l'aumento delle incrostazioni, nel sistema viene aggiunto un ulteriore termine di resistenza.

All'inizio la resistenza potrebbe essere molto lieve. Ma l'effetto della rugosità superficiale può essere considerevole per un breve periodo.

Perché un po' di incrostazione può migliorare il trasferimento di calore
Il tubo in PTFE stesso è abbastanza liscio. La bassa rugosità superficiale riduce al minimo la caduta di pressione e l'adesione del deposito, tuttavia le superfici lisce possono anche sostenere uno strato limite laminare piuttosto stabile, in alcune circostanze di flusso.

La struttura della superficie interna viene alterata quando si forma uno strato di incrostazione molto sottile.

Microscopiche rugosità iniziano ad emergere nel flusso del fluido e inducono piccoli disturbi in prossimità della parete. Questi disturbi includono

Aggiungi disturbo locale

Rompere lo strato limite termico

Miscelazione radiale migliorata dei fluidi

Migliora il trasferimento di calore tra parete e fluido

L'incrostazione inganna temporaneamente i sensori, poiché lo scambiatore può indicare un plateau transitorio o anche un piccolo aumento delle prestazioni termiche apparenti.

Questo impatto è più visibile quando:

Inizialmente il flusso è laminare

I numeri di Reynolds vicini alla transizione

La superficie originale del PTFE è molto liscia.

Lo spessore della vegetazione è ancora molto sottile

Questo impatto della rugosità nella fase iniziale è spesso meno pronunciato sui tubi metallici grezzi, perché la struttura superficiale di base è già turbolenta.

L'effetto della rugosità sul trasferimento di calore convettivo
L'influenza della rugosità superficiale sulla trasmissione del calore è direttamente legata al comportamento dell'attrito del fluido.

Nell'analisi del flusso turbolento la rugosità influenza:

Il coefficiente di attrito

Stabilità dello strato limite

Trasferimento di slancio.

Miglioramento del trasferimento di calore

Gli stessi fattori che aumentano la miscelazione per attrito influenzano anche il trasferimento di calore convettivo.

Questa relazione si riflette nelle somiglianze tra il fattore di attrito e il fattore di trasferimento di calore nella teoria classica del trasporto.

Pertanto, una superficie leggermente irruvidita può aumentare il coefficiente di trasferimento di calore convettivo-sul lato del tubo in alcune situazioni operative.

Tuttavia questo effetto positivo è solo transitorio poiché la resistenza elettrica dello strato incrostante continua a crescere nel tempo.

Quando il fouling è dilagante
Le qualità isolanti del deposito di incrostazioni che si addensano diventano sempre più critiche.

In generale il deposito stesso ha una bassa conducibilità termica rispetto al fluido e ai materiali dello scambiatore. Quindi il calore deve passare attraverso un ulteriore strato isolante prima di poter accedere al fluido sfuso.

Alla fine qualsiasi beneficio derivante dalla turbolenza viene oscurato dallo svantaggio termico derivante dallo spessore extra.

I risultati sono:

Valore U totale ridotto

Velocità di trasferimento del calore inferiore

Approccio più ampio alla temperatura

Risposta termica più lenta

Maggiore instabilità del processo

Lo scambiatore entra a questo punto nella ben nota tendenza al deterioramento a lungo termine delle incrostazioni osservata nei sistemi industriali.

Resistenza alle incrostazioni come processo transitorio
L’accumulo di incrostazioni raramente procede a ritmo costante.

In molti sistemi la resistenza al fouling segue una curva asintotica:

Creazione iniziale rapida-

Accumulo-lento nel lungo termine

stabilizzazione verso l’equilibrio alla fine

Queste alterazioni precoci rappresentano spesso i maggiori cambiamenti relativi nella rugosità superficiale e nel disturbo del flusso.

Quindi il deposito si ispessisce e si densifica e l'ulteriore crescita viene inibita dalle forze di taglio e dai meccanismi di distacco parziale.

Questo comportamento asintotico della resistenza alle incrostazioni può spiegare perché uno scambiatore può sembrare inizialmente stabile ma dopo lunghi periodi di funzionamento perde gradualmente efficienza termica.

Perché gli scambiatori in PTFE hanno un comportamento di incrostazione insolito
Gli scambiatori in PTFE hanno alcune proprietà che influenzano la dinamica del fouling in modo diverso rispetto ai sistemi metallici.

Estremi superficiali iniziali Liscia
Rispetto a molti materiali metallici per scambiatori di calore, le superfici in PTFE vergine sono molto lisce.

Questa bassa rugosità della linea di base si traduce in uno spostamento piuttosto sostanziale nella struttura superficiale effettiva da piccole quantità di scaglia.

Ciò rende più evidente l'effetto di miglioramento della rugosità nella fase iniziale-.

Basse energie superficiali
Le proprietà anti-aderenti del PTFE resistono alla forte adesione dei depositi.

Alcuni strati di incrostazione rimangono quindi più morbidi o meno stabili dal punto di vista meccanico rispetto ai depositi sviluppati sui tubi metallici.

Conduttività termica ridotta
Il PTFE ha già una resistenza delle pareti migliore rispetto a metalli come l'acciaio inossidabile o il titanio.

Pertanto, la resistenza aggiuntiva alle incrostazioni è relativamente più importante nell’intera rete di resistenza termica.

La diminuzione delle prestazioni può essere particolarmente evidente quando le incrostazioni sono molto spesse.

La tendenza al ribasso a lungo termine del valore U
L'effetto della rugosità a breve-termine è positivo, mentre le prestazioni di incrostazione a lungo-termine hanno sempre una direzione negativa.

con depositi ancora in arrivo:

Riduzione del diametro del tubo

Cambiamenti nella distribuzione del flusso

aumento della diminuzione della pressione

La resistenza termica aumenta.

L'efficienza dello scambiatore di calore diminuisce

A livelli più elevati di incrostazione, il controllo del processo può essere problematico, poiché le velocità di trasferimento del calore non sono più sufficienti per l’operazione.

Lo scambiatore potrebbe quindi aver bisogno di:

Pulizia chimica

Pulizia meccanica

Sostituzione dei tubi

Ottimizzazione dei flussi

Ottimizzazione della chimica di processo

Senza intervento, le incrostazioni croniche possono eventualmente provocare un calo irreversibile delle prestazioni.

Il significato della pulizia regolare
"Il fouling è un processo graduale, quindi il monitoraggio regolare è fondamentale.

Gli indicatori comunemente monitorati includono:

Abbassamento del valore U-

Aumento della caduta di pressione

Diminuzione delle prestazioni della temperatura di uscita

Periodi di riscaldamento prolungati nei processi

In generale, è meglio effettuare la pulizia secondo un programma preventivo piuttosto che aspettare che si accumulino pesanti incrostazioni.

Per gli scambiatori in PTFE, le superfici pulite dei tubi aiutano a mantenere entrambi:

Scambio termico convettivo in stato stazionario

Idraulica a bassa resistenza

Lo scopo non è solo quello di pulire i depositi spessi ma di evitare il passaggio da un leggero miglioramento della rugosità ad un isolamento termico significativo.

Incrostazione: un fenomeno termico dinamico
L'associazione tra il coefficiente convettivo dello scambiatore PTFE e l'effetto fouling dei tubi dimostra che il fouling è essenzialmente dinamico e non statico.

La turbolenza e la trasmissione del calore possono essere momentaneamente migliorate nelle fasi iniziali. Ma nel corso del tempo le proprietà isolanti del deposito dominano il comportamento del sistema.

Questa dualità complica l'analisi del fouling più di una semplice ipotesi di un declino lineare continuo.

Le misurazioni a breve-termine potrebbero spesso essere fuorvianti quando lo scambiatore si trova nella fase transitoria di miglioramento della rugosità-.

Tuttavia, le tendenze termiche a lungo termine mostrano una tendenza costante all’aumento della penalità dovuta all’accumulo di depositi.

Conclusione.
L'intasamento dei tubi interni in uno scambiatore di calore in PTFE ha un effetto complesso e dipendente dal tempo sulle prestazioni del trasferimento di calore convettivo. Inizialmente, incrostazioni molto piccole possono migliorare brevemente il coefficiente di trasferimento di calore convettivo sul lato del tubo-irruvidendo la superficie altrimenti liscia del PTFE e aumentando leggermente la turbolenza.

Questo miglioramento iniziale è di breve-durata. Lo spessore dell'incrostazione aumenta, il deposito diventa la resistenza termica più prominente e il valore U- complessivo diminuisce progressivamente. Proprio come la rugosità aumenta temporaneamente la turbolenza, alla fine diventa una barriera isolante al movimento del calore.

Il comportamento del fouling effetto coefficiente convettivo dello scambiatore PTFE indica che il fouling non è una semplice situazione binaria, ma piuttosto un processo termico in corso. Un po' di scala approssimativa può ingannare l'operatore per un po', ma l'efficienza prolungata dello scambiatore è in definitiva una funzione delle superfici interne pulite dei tubi. Ciò che inizia come una comoda ruvidità diventa una coperta isolante.