Stratul de scară surprinzător
PTFE este specificat pentru suprafața sa antiaderent-. Energia de suprafață scăzută respinge apa, rezistă la aderență și previne lipirea majorității calcarului. Cu toate acestea, operatorii descoperă ocazional un strat dur, aderent pe tuburile schimbătoare de căldură din PTFE, după luni de service. Suprafața antiaderent-pare să fi eșuat.
Scara nu este o defecțiune a proprietății materialului PTFE. Este o nerespectare a limitelor de temperatură în care funcționează acea proprietate. Peste o temperatură critică a peretelui, fizica formării calcarului depășește avantajul anti-adeziv al PTFE. Scara se leagă nu prin aderență chimică, ci printr-un mecanism diferit: interblocarea cristalină cu suprafața polimerului.
Cele două mecanisme de scalare
Calcarul se formează pe suprafețele schimbătorului de căldură prin două mecanisme distincte. Prima este depunerea de particule: cristalele pre-în soluția în vrac se depun pe suprafață și aderă prin forțele van der Waals. Energia de suprafață scăzută a PTFE rezistă eficient acestui mecanism. Forțele de atracție slabe nu pot depăși tendința particulelor de a se re-însă în soluția care curge.
Al doilea mecanism este cristalizarea suprafeței: ionii dizolvați precipită direct pe suprafața de transfer de căldură. Acest lucru se întâmplă atunci când temperatura peretelui determină modificări locale ale concentrației. Pentru sărurile invers solubile, cum ar fi sulfatul de calciu, carbonatul de calciu și fosfatul de calciu, solubilitatea scade odată cu creșterea temperaturii. Cea mai fierbinte suprafață din sistem-peretele tubului schimbătorului de căldură-devine locul preferat de precipitare.
Cristalizarea suprafeței nu necesită aderență chimică. Cristalele se nucleează în stratul limită direct adiacent peretelui tubului, apoi cresc în micro-rugozitate de suprafață. Cristalul în creștere se interconectează fizic cu topografia suprafeței polimerului. Această interblocare mecanică nu necesită nicio legătură chimică și nu este înfrântă de energia de suprafață scăzută.
Tabelul 1: Severitatea scalei în raport cu temperatura peretelui PTFE pentru precipitatele comune din baie de placare
| Temperatura peretelui (grade) | Scala de sulfat de calciu | Scara de carbonat de calciu | Namol de hidroxid metalic | Scala Forța de Aderență |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minim | Minim | Liber, se clătește ușor | Foarte slab |
| 80-100 | Depozit ușor | Depozit ușor | Aderență moderată | Slab |
| 100-120 | Scară moderată | Scară moderată | Strâns atașat | Moderat |
| 120-140 | Solanță cristalină grea | Scara grea | Puternic legat | Puternic |
| 140-160 | Acumulare severă, rapidă | Severă | Greu de îndepărtat | Foarte puternic |
| >160 | Precipitații extreme | Extrem | Necesită îndepărtare mecanică | Extrem |
Date pentru sulfatul de calciu din băile cu acid sulfuric-calciu; carbonat de calciu din sistemele de apă dură; hidroxizi metalici din fier și aluminiu-conținând electroliți. Aderența măsurată prin presiunea de îndepărtare a jetului de apă.
Declanșatorul temperaturii peretelui
Trecerea de la scalarea gestionabilă la problematică are loc la temperaturi ale peretelui între 100 și 120 de grade pentru cele mai frecvente precipitate. Sub 100 de grade, viteza de cristalizare a suprafeței este lentă. Energia de suprafață scăzută a PTFE oferă beneficii semnificative prin prevenirea nucleării inițiale a cristalelor care duce la interblocarea mecanică.
Peste 120 de grade, viteza de cristalizare se accelerează exponențial. Stratul limită devine rapid suprasaturat. Cristalele se nucleează în abundență, copleșind orice rezistență la nucleare de la suprafața cu energie scăzută-. Odată ce se formează un strat subțire de cristal, creșterea ulterioară a cristalelor are loc pe scara existentă, nu pe PTFE. Energia de suprafață a PTFE devine irelevantă.
Presiunea aburului controlează direct temperatura peretelui. Aburul la 3 barg produce o temperatură de saturație de 143 de grade, creând temperaturi de perete în intervalul 120-140 de grade. Aceasta este zona de pericol în care scalarea trece de la neplăcere la problemă. Aburul la 6 barg împinge temperatura peretelui într-un regim sever de detartrare.
Strategii de prevenire
Reduceți presiunea aburului la minimum care îndeplinește cerințele de încălzire. Aburul cu presiune joasă-la 1-2 barg menține temperatura peretelui sub 120 de grade , unde proprietățile anti-aderență ale PTFE rămân eficiente. Pedeapsa este suprafața necesară mai mare. Beneficiul este reducerea dramatic de scalare.
Creșteți viteza soluției pe suprafața tubului. Viteza mai mare subțiază stratul limită, reducând timpul de rezidență pentru nuclearea cristalelor. De asemenea, crește forța de forfecare care acționează asupra oricăror cristale care se formează, ajutând la dislocarea lor înainte ca acestea să devină suficient de mari pentru interblocarea mecanică.
Pentru aplicațiile în care presiunea mare a aburului este inevitabilă, acceptați că va fi necesară detartrarea periodică. Detartrarea bobinelor de PTFE este mai simplă decât a bobinelor metalice-, scara poate fi adesea spartă prin îndoirea tubulaturii, iar suprafața inertă chimic tolerează curățarea acidă fără coroziune.
Rezumat
Scalarea schimbătorului de căldură PTFE peste 150 de grade la temperatura peretelui are loc prin cristalizarea suprafeței și prin interblocarea mecanică, nu prin aderența chimică. Proprietatea de anti-aderență a PTFE este reală, dar este copleșită de cinetica de cristalizare rapidă la temperaturi ridicate.
Menținerea temperaturii peretelui sub 120 de grade prin presiunea redusă a aburului păstrează beneficiul anti-aderente. Viteza mai mare a soluției completează acest lucru prin creșterea îndepărtării prin forfecare a cristalelor în curs de dezvoltare. Când operarea la temperatură înaltă-este inevitabil, detartrarea mecanică sau chimică periodică devine parte a rutinei de întreținere.
Recomandările de inginerie pentru prevenirea depunerilor în aplicații specifice de schimbător de căldură PTFE sunt disponibile la prezentarea chimiei soluției, a temperaturii de funcționare, a presiunii aburului și a istoricului de detartrare observat.
