Como o fator de incrustação de um trocador de PTFE muda com a rugosidade da superfície do tubo?

A rugosidade em nanoescala da parede do tubo é um campo de batalha vital na guerra contra a incrustação nos trocadores de calor. Uma superfície áspera é uma paisagem de picos e vales, fornecendo um milhão de pontos de compra minúsculos e protegidos para os cristais de escamas e biofilmes pegajosos se agarrarem. Uma superfície plana espelhada e polida, em comparação, oferece muito menos apoios para os pés. Portanto, o fator de incrustação, uma penalidade térmica introduzida por um projetista para compensar essa sujeira inevitável, é sensível à rugosidade superficial inicial do tubo. Mas quando se trata de PTFE, todos os tubos já ficam muito escorregadios.

O artigo discute a relação entre os diferentes fatores de incrustação e a rugosidade da superfície do tubo de PTFE em comparação com os tubos de metal, e por que a suavidade inerente do PTFE torna o polimento redundante.

Compreendendo o fator de incrustação
O que significa o fator de incrustação
O fator de incrustação (comumente representado como ��Rf​ no projeto do trocador de calor) é uma resistência térmica adicional usada no cálculo geral da transferência de calor para levar em conta o desenvolvimento progressivo de depósitos na superfície de transferência de calor. Estes depósitos – incrustações, sedimentos, desenvolvimento biológico ou produtos de reações químicas – formam uma camada extra de isolamento que degrada a eficácia do permutador ao longo do tempo. O fator de incrustação é dado em unidades de m 2 K/W e é adicionado à soma das outras resistências térmicas (parede do tubo, filmes fluidos) para chegar ao coeficiente global de transferência de calor de projeto (valor U-).

Padrões de projeto como os publicados pela Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) especificam fatores de incrustação para diferentes fluidos e materiais de tubos. Estas diretrizes são o resultado de décadas de experiência industrial com tubos metálicos (aço carbono, aço inoxidável, latão almirantado, etc.). Se for sabido que a superfície do tubo promove a aderência do depósito, então um fator de incrustação maior será aplicado para o fluido e serviço em questão.

Influência da rugosidade superficial na incrustação
A incrustação depende da rugosidade da superfície, como é amplamente conhecido. Uma superfície áspera:

Aumenta a área efetiva para nucleação de depósitos

Locais de intertravamento mecânico para ancoragem de cristais ou biofilmes.

Cria zonas estacionárias em depressões superficiais onde a supersaturação localizada e o crescimento microbiológico podem se desenvolver.

Os depósitos ficam escondidos em reentrâncias protegidas do fluxo principal, retardando assim a remoção por cisalhamento dos depósitos pelo fluxo do fluido.

Portanto, para um determinado fluido e velocidade de fluxo, um tubo com uma rugosidade superficial mais baixa (mais suave) tenderá a ter uma taxa de incrustação mais baixa e uma resistência de incrustação de equilíbrio mais baixa. Isto é válido para tubos de metal e de polímero.

A rugosidade natural da superfície do PTFE
Como{0}}tubulação de PTFE extrudado: suave desde o início
A tubulação de PTFE é normalmente produzida por extrusão ou por descasque (descascar) de um tarugo. A superfície resultante é naturalmente muito lisa. Os valores médios típicos de rugosidade superficial (Ra) para PTFE-extrudado são os seguintes:

Tubo de PTFE extrudado padrão Ra=0.2 – 0,5 micrômetros (µm)

Tubo de PTFE raspado: Ra=0.4 – 0,8 µm (um pouco mais áspero devido ao procedimento de corte)

Para efeito de comparação, a rugosidade da superfície de tubos de metal típicos usados ​​em trocadores de calor é:

Tubo de aço inoxidável sem costura (conforme desenho) Ra=0.8 – 1,5 µm

Tubo de aço carbono sem costura (conforme-desenhado): Ra=1.0-2.5 µm

Tubo de aço, soldado, limpeza interna: Ra=2.0 – 5,0 µm (ou superior)

Tubo de aço inoxidável polido mecanicamente, Ra=0.1 - 0.3 µm (após acabamento caro)

Assim, mesmo um-tubo de PTFE extrudado normalmente tem uma rugosidade superficial comparável a um tubo de metal polido. O PTFE começa a vida com uma pele-lisa como vidro que já está décadas à frente na guerra incrustante contra as superfícies metálicas mais ásperas e esburacadas.

A opção de polimento de PTFE
O PTFE pode ser posteriormente polido mecanicamente (usando abrasivos finos) ou por polimento a chama (derretendo a superfície para obter um acabamento liso). O Ra de um tubo de PTFE pode ser polido até 0,05 – 0,1 µm. No entanto, esta técnica acrescenta custos e pode afetar a tolerância dimensional do tubo. Além disso, há pouca vantagem prática no polimento do PTFE, uma vez que a superfície inicial já é tão lisa que a melhoria marginal na incrustação é relativamente pequena.

Influência da rugosidade superficial do PTFE no fator de incrustação
A pequena diferença entre PTFE padrão e polido
Para um fluido de processo e estado operacional específicos, a redução no fator de incrustação obtida pelo polimento de um tubo de PTFE de Ra=0.4 µm a Ra=0.1 µm é geralmente mínima, geralmente inferior a 5–10% da resistência geral à incrustação. Isto ocorre porque a taxa de incrustação já é bastante baixa na superfície normal de PTFE. Os outros depósitos são geralmente aqueles quimicamente ligados ou formados a partir de fluidos supersaturados onde a energia superficial, em vez da rugosidade, impulsiona a adesão.

Na maioria dos projetos de trocadores, a diferença na margem de incrustação necessária entre um tubo de PTFE convencional e um tubo polido é tão pequena que fica dentro da margem de segurança do cálculo. Conseqüentemente, os tubos de PTFE polido raramente são especificados na prática industrial apenas para o gerenciamento de incrustações. Os tubos de PTFE extrudado padrão são geralmente considerados suficientemente lisos.

A diferença muito maior: PTFE vs. Metal
O grande aumento no desempenho de incrustação não ocorre entre o PTFE normal e o PTFE polido, mas entre qualquer tubo de PTFE e qualquer tubo de metal. Para um serviço aquoso típico no qual se formam incrustações de carbonato de cálcio, o fator de incrustação recomendado pela TEMA para um tubo de aço carbono pode ser de 0,00035 m 2 K/W (para água pura de rio) a 0,00088 m 2 K/W (para água de torre de resfriamento). Os fluoropolímeros não são listados especificamente no TEMA, embora um fator de incrustação de projeto de 0,00009 – 0,00018 m2·K/W seja frequentemente usado para um tubo de PTFE. Esta diminuição de 50-80% é causada pelo efeito combinado de dois fatores:

Rugosidade superficial ultra{0}}baixa - O PTFE não tem fissuras ou asperezas para reter depósitos.

Energia superficial muito baixa - PTFE é anti-aderente. Os depósitos têm força adesiva muito baixa e podem ser facilmente removidos com cisalhamento de fluido.

O segundo fator, energia superficial, é normalmente mais relevante do que apenas a rugosidade. Mesmo uma superfície metálica perfeitamente lisa possui alta energia superficial que favorece a ligação química de moléculas polares (água, íons e compostos orgânicos, por exemplo), que posteriormente atuam como primers para deposição adicional de incrustações. A baixa energia superficial do PTFE (18–20 mN/m versus 30–50 mN/m para o aço inoxidável) significa que os depósitos, caso ocorram, ficam fracamente aderidos e podem ser removidos por fluxo moderado.

Implicações práticas de design
Parâmetros de incrustação TEMA e PTFE
As tabelas de fatores de incrustação padrão TEMA não incluem PTFE. O engenheiro responsável deverá:

Use um valor de um estudo publicado ou orientação do fabricante (geralmente 0,00009 – 0,00018 m²·K/W para serviços limpos, até 0,00035 para serviços de incrustações severas).

Aplique o fator de redução ao resultado TEMA para o mesmo fluido em um tubo metálico. Uma regra prática: o PTFE tem um fator de incrustação de 20 a 40% do aço inoxidável nas mesmas condições.

O PTFE já está no limite inferior do metal polido em termos de rugosidade superficial, portanto, especificar "PTFE polido" não modifica o fator de incrustação recomendado de forma significativa.

Quando a rugosidade da superfície é importante para o PTFE
Em algumas circunstâncias, uma superfície de PTFE mais lisa (por exemplo, polida) pode ser garantida:

Fabricação biofarmacêutica ou de alimentos onde alguns buracos ou arranhões podem abrigar microorganismos. A baixa energia superficial do PTFE impede a adesão do biofilme, mas os padrões regulatórios (por exemplo, validação limpa-no-local) podem exigir uma superfície polida (Ra < 0,1 µm). Aqui a necessidade é ditada pela facilidade de limpeza e documentação, e não por qualquer alteração observável no fator de incrustação térmica.

Serviços com partículas muito pequenas que podem se interligar mecanicamente em defeitos superficiais. Novamente, o PTFE normal já é bastante suave, mas o polimento pode fornecer vantagem incremental para partículas sub-micrométricas.

Estética ou especificação do cliente Alguns clientes exigem que todas as superfícies molhadas tenham um acabamento liso.

O perigo do-polimento excessivo
O-polimento excessivo de PTFE pode proporcionar uma superfície muito lisa para algumas finalidades. Por exemplo, em um evaporador ou condensador de filme descendente, uma superfície altamente lisa pode diminuir a molhabilidade e aumentar a formação de gotículas em vez do fluxo do filme, o que prejudica a transferência de calor. Mas isso é uma coisa diferente de sujar.

Medição e verificação de rugosidade superficial de PTFE
Caso seja desejada uma determinada rugosidade, esta deverá ser indicada como um valor máximo de Ra calculado de acordo com uma norma internacional (por exemplo, ISO 4287 ou ASME B46.1). É utilizado um perfilômetro de contato ou um perfilador óptico sem contato. Valores típicos para PTFE:

PTFE extrudado padrão: Ra £ 0,5 mícron

PTFE polido: Ra menor ou igual a 0,1 μm

PTFE raspado (não{0}}polido) Ra< 0.8 µm

Para a maioria das aplicações de trocadores de calor não é necessária uma especificação de rugosidade. Tubos de PTFE, acabamento comercial normal, extrudados.

CONCLUSÃO: A VANTAGEM JÁ EXISTE
Um tubo mais liso sempre suja menos. A diferença entre um tubo de PTFE básico e um polido é insignificante. O polímero em si já é bastante liso e tem baixa energia superficial, portanto tem uma enorme vantagem sobre qualquer metal. Este benefício deve ser refletido no fator de incrustação atribuído a um trocador de PTFE. O polimento dos tubos raramente resulta numa diminuição significativa da resistência à incrustação térmica. A superfície anti-incrustante ideal é aquela que é fisicamente lisa e quimicamente repelente e o PTFE oferece essas duas características em sua forma extrudada comum. Para aplicações-sensíveis a incrustações, os projetistas podem empregar tubos convencionais de PTFE com segurança, sabendo que o fator de incrustação será muito menor do que o de qualquer metal e que o polimento adicional é um luxo desnecessário.