Problém tvorby vodného kameňa
Vodný kameň síranu vápenatého trápi výmenníky tepla v baníctve, spracovaní nerastov a pri čistení priemyselných odpadových vôd. Sadra má inverznú rozpustnosť-a pri zvyšovaní teploty sa ľahšie zráža. Najhorúcejší povrch v systéme, stena rúrky výmenníka tepla, sa stáva preferovaným miestom pre nukleáciu a rast kryštálov.
Konvenčné chápanie pripisuje odolnosť PTFE proti tvorbe vodného kameňa jeho nízkej povrchovej energii. Kryštály síranu vápenatého nukleujú na nepriľnavom -povrchu fluórpolyméru menej ľahko ako na vysokoenergetických oxidoch kovov. Toto vysvetlenie je správne, ale neúplné. Druhý mechanizmus, súvisiaci so správaním tepelnej hraničnej vrstvy, prispieva rovnakou mierou k rozdielu v mierach škálovania medzi kovovými a PTFE povrchmi.
Duálny mechanizmus tvorby vodného kameňa
Tvorba vodného kameňa na povrchu prenosu tepla zahŕňa dva postupné kroky. Po prvé, rozpustené ióny musia difundovať cez tepelnú hraničnú vrstvu, aby sa dostali na povrch. Po druhé, akonáhle sú ióny na povrchu, musia nukleovať a rásť do priľnutých kryštálov.
Tepelná hraničná vrstva je stojatý alebo pomaly sa pohybujúci tekutý film priliehajúci k stene rúrky. Jeho hrúbka závisí od rýchlosti tekutiny, priemeru rúrky a vlastností tekutiny. V rámci tejto vrstvy sa teplo prenáša vedením, čím sa vytvára teplotný gradient od teploty objemovej kvapaliny k vyššej teplote steny.
Pre tvorbu vodného kameňa je kritický teplotný gradient v hraničnej vrstve. Rozpustnosť síranu vápenatého klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Tekutina na rozhraní steny je teplejšia ako objemová kvapalina, takže je viac presýtená vzhľadom na sadru. Stupeň presýtenia na stene určuje hnaciu silu pre kryštalizáciu.
Tabuľka 1: Parametre hraničnej vrstvy a mierky pre kovové verzus PTFE povrchy (sadrovo{2}}nasýtený roztok, 60 stupňov, 80 stupňov stena)
| Parameter | Nerezová oceľ | titán | PTFE |
|---|---|---|---|
| Povrchová energia (mN/m) | 40-50 | 35-45 | 18-20 |
| Tepelná vodivosť (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Pokles teploty cez stenu trubice (stupeň) | < 1 | < 1 | 8-12 |
| Skutočná povrchová teplota steny (stupne) | ~80 | ~80 | 68-72 |
| Pomer presýtenia sadry na povrchu steny | 3.5-4.0× | 3.5-4.0× | 2.0-2.5× |
| Rýchlosť nukleácie (relatívna) | 1,0 (základná hodnota) | 0.9 | 0.2-0.3 |
| Priľnavosť nánosu (relatívna) | 1,0 (základná hodnota) | 0.8 | 0.1-0.2 |
Výhoda teploty steny PTFE
Nízka tepelná vodivosť PTFE, ktorá sa zvyčajne považuje za nevýhodu, poskytuje neočakávanú výhodu pri škálovaní-služieb. Teplotný gradient naprieč stenou PTFE trubice je významný-zvyčajne 8-12 stupňov pre parou vyhrievanú špirálu. Vonkajší povrch rúrky v kontakte s procesnou tekutinou je podstatne chladnejší ako teplota pary vo vnútri.
Kovová rúrka so zanedbateľným odporom steny má vonkajšiu povrchovú teplotu takmer rovnú vnútornej teplote pary. Ak para pri tlaku 3 barg (143 stupňov) ohrieva procesnú kvapalinu na 60 stupňov, vonkajší povrch kovovej rúrky môže mať 80 stupňov. Vonkajší povrch PTFE trubice za rovnakých podmienok môže byť 68-72 stupňov.
Tento rozdiel 10 stupňov znižuje presýtenie sadry na povrchu steny. Pretože rýchlosť nukleácie závisí exponenciálne od presýtenia, chladnejší povrch PTFE riadi tvorbu kryštálov zlomkom rýchlosti na povrchu teplejšieho kovu.
Efektné zlúčeniny. Menej nukleácie znamená menej vodného kameňa. Menej vodného kameňa znamená, že povrchová teplota PTFE sa pri vytváraní izolačnej vrstvy vodného kameňa ďalej nezvyšuje. Kovový povrch, ktorý rýchlejšie hromadí vodný kameň, zaznamenáva nárast teploty steny, pretože vodný kameň ho izoluje, čím sa ďalej zvyšuje presýtenie a urýchľuje sa usadzovanie v deštruktívnej spätnoväzbovej slučke.
Povrchová energia: Druhý faktor
Nízka povrchová energia PTFE poskytuje druhú ochranu proti usadzovaniu. Aj keď kryštály nukleujú blízko povrchu PTFE, priľnú slabo. Medzifázová väzba medzi hydrofilným sadrovým kryštálom a hydrofóbnym povrchom fluórpolyméru je slabá. Strih tekutiny z normálneho toku uvoľňuje vznikajúce kryštály skôr, ako narastú dostatočne veľké na to, aby vytvorili koherentnú vrstvu šupín.
Povrchy oxidov kovov s vysokou povrchovou energiou a množstvom hydroxylových skupín tvoria silné väzby s kryštálmi síranu vápenatého. Akonáhle sa na kove vytvorí nukleácia monovrstvy sadry, dôjde k následnému rastu kryštálov na existujúcej vrstve sadry. Výhoda povrchovej energie pri štartovaní na čistom kovovom povrchu sa okamžite stratí.
Kombinovaný účinok v priemyselných službách
Kombinácia nižšej skutočnej teploty steny a nižšej povrchovej energie dáva PTFE odolnosť proti usadzovaniu, ktorú skúsenosti v teréne potvrdzujú. V sadrokartónových{1}}roztokoch nasýtených sadrou, kde cievky z nehrdzavejúcej ocele vyžadujú odstraňovanie vodného kameňa každých 4-8 týždňov, PTFE cievky fungujú 6-12 mesiacov alebo dlhšie bez výrazného nahromadenia vodného kameňa. Duálny mechanizmus vysvetľuje, prečo PTFE prekonáva aj samotný argument nízkej povrchovej energie, ktorý by predpovedal.
Zhrnutie
Povrchy výmenníkov tepla z PTFE odolávajú usádzaniu sadry prostredníctvom dvoch mechanizmov: chladnejšia skutočná teplota steny z tepelného gradientu cez stenu rúrky s nízkou{0}}vodivosťou, čím sa znižuje presýtenie a nukleačná sila; a nízka povrchová energia, ktorá zabraňuje silnej adhézii akýchkoľvek kryštálov, ktoré sa tvoria. Kovové povrchy trpia vyššou teplotou steny, ktorá vedie k rýchlejšej nukleácii a vyššou povrchovou energiou pevne viažu kryštály.
Kombinovaný efekt vytvára miery tvorby vodného kameňa na kove, ktoré prevyšujú rýchlosti na PTFE o faktor 3-5 alebo viac. Nevýhoda tepelnej vodivosti PTFE sa stáva -výhodou proti usadzovaniu vodného kameňa v prevádzke nasýtenej sadrou.
Technická analýza odolnosti PTFE tepelného výmenníka voči usadzovaniu v špecifických riešeniach- náchylných na tvorbu vodného kameňa je k dispozícii po predložení chémie roztoku, prevádzkových teplôt, aktuálnych údajov o rýchlosti tvorby vodného kameňa a histórie frekvencie čistenia.
