Det overraskende skalalag
PTFE er specificeret for dens non-{0}}-klæbende overflade. Den lave overfladeenergi afviser vand, modstår vedhæftning og forhindrer det meste af kalk i at klæbe. Alligevel opdager operatører af og til et hårdt, klæbende kalklag på PTFE-varmevekslerrør efter måneders brug. Det ser ud til, at non--fladen er fejlet.
Skalaen er ikke en fejl i PTFE-materialets egenskab. Det er en manglende overholdelse af de temperaturgrænser, som den pågældende ejendom opererer inden for. Over en kritisk vægtemperatur overvælder fysikken i belægningsdannelse PTFEs anti-adhæsionsfordel. Skallen binder sig ikke gennem kemisk adhæsion, men gennem en anden mekanisme: krystallinsk sammenlåsning med polymeroverfladen.
De to skaleringsmekanismer
Belægninger dannes på varmeveksleroverflader gennem to forskellige mekanismer. Den første er partikelaflejring: præ-dannede krystaller i masseopløsningen sætter sig på overfladen og adhærerer gennem van der Waals-kræfter. PTFEs lave overfladeenergi modstår effektivt denne mekanisme. De svage tiltrækningskræfter kan ikke overvinde partiklernes tendens til at genvinde-den flydende opløsning.
Den anden mekanisme er overfladekrystallisation: opløste ioner udfældes direkte på varmeoverførselsoverfladen. Dette sker, når vægtemperaturen driver lokale koncentrationsændringer. For omvendt opløselige salte som calciumsulfat, calciumcarbonat og calciumphosphat falder opløseligheden med stigende temperatur. Den varmeste overflade i systemet-varmevekslerens rørvæg-bliver det foretrukne nedbørssted.
Overfladekrystallisation kræver ikke kemisk vedhæftning. Krystaller danner kerne i grænselaget direkte ved siden af rørvæggen og vokser derefter til overflademikro-ruhed. Den voksende krystal griber fysisk sammen med polymeroverfladetopografien. Denne mekaniske sammenlåsning kræver ingen kemisk binding og besejres ikke af lav overfladeenergi.
Tabel 1: Skaleringsgrad vs. PTFE-vægtemperatur for almindeligt udfældning af bad
| Vægtemperatur (grad) | Calciumsulfatskala | Calciumkarbonatskala | Metalhydroxidslam | Skala vedhæftningsstyrke |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimal | Minimal | Løs, let skylles | Meget svag |
| 80-100 | Let aflejring | Let aflejring | Moderat tilslutning | Svag |
| 100-120 | Moderat målestok | Moderat målestok | Sikkert fastgjort | Moderat |
| 120-140 | Tung krystallinsk skala | Tung skala | Stærkt bundet | Stærk |
| 140-160 | Alvorlig, hurtig opbygning | Alvorlig | Svært at fjerne | Meget stærk |
| >160 | Ekstrem nedbør | Ekstrem | Kræver mekanisk fjernelse | Ekstrem |
Data for calciumsulfat fra svovlsyre-calciumholdige bade; calciumcarbonat fra hårdtvandssystemer; metalhydroxider fra jern og aluminium-holdige elektrolytter. Vedhæftning målt ved vandstrålefjernelsestryk.
Vægtemperaturudløseren
Overgangen fra håndterbar til problematisk skalering sker ved vægtemperaturer mellem 100 grader og 120 grader for de fleste almindelige nedbørsmængder. Under 100 grader er overfladekrystallisationshastigheden langsom. PTFEs lave overfladeenergi giver meningsfuld fordel ved at forhindre den indledende krystalkernedannelse, der fører til mekanisk sammenlåsning.
Over 120 grader accelererer krystallisationshastigheden eksponentielt. Grænselaget bliver hurtigt overmættet. Krystaller danner kerne i overflod og overvælder enhver kernedannelsesmodstand fra overfladen med lav-energi. Når der først er dannet et tyndt krystallag, sker der efterfølgende krystalvækst på den eksisterende skala, ikke på PTFE. Overfladeenergien af PTFE bliver irrelevant.
Damptrykket styrer direkte vægtemperaturen. Damp ved 3 barg producerer 143 graders mætningstemperatur, hvilket skaber vægtemperaturer i området 120-140 grader. Dette er farezonen, hvor skalering går fra gener til problem. Damp ved 6 barg skubber vægtemperaturen godt ind i det alvorlige skaleringsregime.
Forebyggelsesstrategier
Reducer damptrykket til det minimum, der opfylder varmekravene. Lav-damp ved 1-2 bar holder vægtemperaturen under 120 grader, hvor PTFEs anti-adhæsionsegenskaber forbliver effektive. Straffen er større krævet overfladeareal. Fordelen er dramatisk reduceret skalering.
Øg opløsningshastigheden hen over røroverfladen. Højere hastighed udtynder grænselaget, hvilket reducerer opholdstiden for krystalkernedannelse. Det øger også forskydningskraften, der virker på eventuelle krystaller, der dannes, og hjælper med at løsne dem, før de vokser sig store nok til mekanisk sammenlåsning.
For applikationer, hvor højt damptryk er uundgåeligt, skal du acceptere, at periodisk afkalkning er nødvendig. Afkalkning af PTFE-spoler er enklere end metalspoler-skalaen kan ofte knækkes af ved at bøje slangen, og den kemisk inerte overflade tåler syrerensning uden korrosion.
Oversigt
PTFE varmeveksler skalering over 150 graders vægtemperatur sker gennem overfladekrystallisering og mekanisk sammenlåsning, ikke kemisk vedhæftning. PTFEs anti-adhæsionsegenskab er reel, men overvældes af hurtig krystallisationskinetik ved forhøjede temperaturer.
Ved at holde vægtemperaturen under 120 grader gennem reduceret damptryk bevarer man non-{1}}fordelen. Højere opløsningshastighed supplerer dette ved at øge forskydningsfjernelsen af spæde krystaller. Når drift med høje-temperaturer er uundgåelig, bliver periodisk mekanisk eller kemisk afkalkning en del af vedligeholdelsesrutinen.
Tekniske anbefalinger til forebyggelse af belægninger i specifikke PTFE-varmevekslerapplikationer er tilgængelige ved indsendelse af opløsningskemi, driftstemperatur, damptryk og observeret skaleringshistorik.
