Iznenađujući sloj razmjera
PTFE je određen zbog svoje-neljepljive površine. Niska površinska energija odbija vodu, otporna je na prianjanje i sprječava spajanje većine kamenca. Ipak, operateri povremeno otkriju tvrdi, prianjajući sloj kamenca na PTFE cijevima izmjenjivača topline nakon mjeseci rada. Čini se da nije-neljepljiva površina nije uspjela.
Vaga nije greška u svojstvu PTFE materijala. To je nepoštivanje temperaturnih granica unutar kojih ta nekretnina radi. Iznad kritične temperature zida, fizika formiranja kamenca nadmašuje prednost PTFE-a protiv adhezije. Kamenac se ne vezuje putem hemijske adhezije, već putem drugačijeg mehanizma: kristalnog spajanja sa površinom polimera.
Dva mehanizma skaliranja
Kamenac se formira na površinama izmjenjivača topline kroz dva različita mehanizma. Prvi je taloženje čestica: prethodno formirani kristali u rasutom rastvoru talože se na površinu i prianjaju kroz van der Waalsove sile. Niska površinska energija PTFE-a efikasno se odupire ovom mehanizmu. Slabe privlačne sile ne mogu savladati sklonost čestica da se ponovo{4}}uvuku u tekući rastvor.
Drugi mehanizam je površinska kristalizacija: rastvoreni joni talože se direktno na površinu za prenos toplote. To se događa kada temperatura zida pokreće lokalne promjene koncentracije. Za inverzno rastvorljive soli kao što su kalcijum sulfat, kalcijum karbonat i kalcijum fosfat, rastvorljivost opada sa povećanjem temperature. Najtoplija površina u sistemu-zid cijevi izmjenjivača topline-postaje preferirano mjesto padavina.
Površinska kristalizacija ne zahtijeva hemijsku adheziju. Kristali nastaju u graničnom sloju direktno uz zid cijevi, a zatim prerastaju u površinsku mikro{1}}hrapavost. Rastući kristal se fizički isprepliće s topografijom površine polimera. Ovo mehaničko spajanje ne zahtijeva kemijsko vezivanje i nije poraženo niskom površinskom energijom.
Tabela 1: Ozbiljnost skaliranja u odnosu na temperaturu zida PTFE za uobičajene taloge u kupatilu
| Temperatura zida (stepen) | Kalcijum sulfatna vaga | Kalcijum karbonatna vaga | Mulj metalnog hidroksida | Skala jačine prianjanja |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimalno | Minimalno | Labav, lako se ispire | Veoma slaba |
| 80-100 | Lagani depozit | Lagani depozit | Umjereno pridržavanje | Slabo |
| 100-120 | Umjerena skala | Umjerena skala | Čvrsto pričvršćen | Umjereno |
| 120-140 | Teška kristalna ljuska | Teška skala | Čvrsto vezani | Jaka |
| 140-160 | Ozbiljno, brzo nakupljanje | Ozbiljno | Teško se uklanja | Veoma jaka |
| >160 | Ekstremne padavine | Ekstremno | Zahtijeva mehaničko uklanjanje | Ekstremno |
Podaci za kalcijum sulfat iz kupki koje sadrže sumpornu kiselinu-kalcijum; kalcijum karbonat iz sistema tvrde vode; metalni hidroksidi iz gvožđa i aluminijuma-koji sadrže elektrolite. Adhezija mjerena pritiskom uklanjanja vodenog mlaza.
Okidač temperature zida
Prijelaz od upravljivog ka problematičnom skaliranju događa se pri temperaturama zida između 100 i 120 stepeni za najčešće precipitate. Ispod 100 stepeni, stopa površinske kristalizacije je spora. Niska površinska energija PTFE-a pruža značajnu korist sprečavanjem početne kristalne nukleacije koja dovodi do mehaničkog međusobnog blokiranja.
Iznad 120 stepeni, brzina kristalizacije se eksponencijalno ubrzava. Granični sloj brzo postaje prezasićen. Kristali nastaju u izobilju, nadjačavajući svaki otpor nukleacije s površine niske{3}}ene energije. Jednom kada se formira tanak kristalni sloj, naknadni rast kristala se dešava na postojećoj skali, a ne na PTFE. Površinska energija PTFE-a postaje nevažna.
Pritisak pare direktno kontroliše temperaturu zida. Para na 3 bara proizvodi temperaturu zasićenja od 143 stepena, stvarajući temperaturu zida u rasponu od 120-140 stepeni. Ovo je opasna zona u kojoj skaliranje prelazi iz smetnje u problem. Para na 6 bara gura temperaturu zida u strogi režim stvaranja kamenca.
Strategije prevencije
Smanjite pritisak pare na minimum koji zadovoljava potrebe za grijanjem. Para niskog-pritiska na 1-2 bara održava temperaturu zida ispod 120 stepeni, pri čemu svojstva PTFE-a protiv prianjanja ostaju efikasna. Kazna je veća potrebna površina. Prednost je dramatično smanjeno skaliranje.
Povećajte brzinu rastvora preko površine cevi. Veća brzina razrjeđuje granični sloj, smanjujući vrijeme zadržavanja za nukleaciju kristala. Također povećava silu smicanja koja djeluje na sve kristale koji se formiraju, pomažući im da se pomjere prije nego što postanu dovoljno veliki za mehaničko spajanje.
Za primjene gdje je visok pritisak pare neizbježan, prihvatite da će biti potrebno periodično uklanjanje kamenca. Uklanjanje kamenca sa PTFE namotaja je jednostavnije od metalnih namotaja-kamenac se često može napuknuti savijanjem cijevi, a hemijski inertna površina toleriše čišćenje kiselinom bez korozije.
Rezime
Skaliranje PTFE izmenjivača toplote iznad temperature zida od 150 stepeni nastaje preko površinske kristalizacije i mehaničkog spajanja, a ne hemijske adhezije. Svojstvo PTFE-a protiv adhezije je stvarno, ali je preplavljeno brzom kinetikom kristalizacije na povišenim temperaturama.
Održavanje temperature zida ispod 120 stepeni kroz smanjeni pritisak pare čuva prednosti neprijanjanja. Veća brzina rastvora to nadopunjuje povećanjem uklanjanja smicanja novonastalih kristala. Kada je rad na-visokim temperaturama neizbježan, periodično mehaničko ili hemijsko uklanjanje kamenca postaje dio rutine održavanja.
Inženjerske preporuke za prevenciju kamenca u specifičnim aplikacijama PTFE izmjenjivača topline dostupne su nakon dostavljanja kemije otopine, radne temperature, tlaka pare i promatrane povijesti kamenca.
