Det overraskende skalalaget
PTFE er spesifisert for dens non-klebende overflate. Den lave overflateenergien avviser vann, motstår vedheft og forhindrer at det meste av kalkstein binder seg. Allikevel oppdager operatører av og til et hardt, vedheftende kalklag på PTFE-varmevekslerrør etter måneders bruk. Det ser ut til at non-flaten har feilet.
Skalaen er ikke en svikt i PTFE-materialegenskapen. Det er en unnlatelse av å respektere temperaturgrensene som denne eiendommen opererer innenfor. Over en kritisk veggtemperatur overvelder fysikken til kalkdannelse anti--adhesjonsfordelen til PTFE. Skalaen binder seg ikke gjennom kjemisk adhesjon, men gjennom en annen mekanisme: krystallinsk sammenlåsing med polymeroverflaten.
De to skaleringsmekanismene
Kalk dannes på varmeveksleroverflater gjennom to forskjellige mekanismer. Den første er partikkelavsetning: forhåndsdannede krystaller i bulkløsningen legger seg på overflaten og fester seg gjennom van der Waals-krefter. PTFEs lave overflateenergi motstår effektivt denne mekanismen. De svake tiltrekningskreftene kan ikke overvinne tendensen til partikler til å re-medrives i den flytende løsningen.
Den andre mekanismen er overflatekrystallisering: oppløste ioner utfelles direkte på varmeoverføringsoverflaten. Dette skjer når veggtemperaturen driver lokale konsentrasjonsendringer. For omvendt løselige salter som kalsiumsulfat, kalsiumkarbonat og kalsiumfosfat avtar løseligheten med økende temperatur. Den varmeste overflaten i systemet-varmevekslerrørveggen-blir det foretrukne nedbørstedet.
Overflatekrystallisering krever ikke kjemisk vedheft. Krystaller danner kjerne i grenselaget rett ved siden av rørveggen, og vokser deretter til overflatemikro-ruheter. Den voksende krystallen låser seg fysisk sammen med polymeroverflatens topografi. Denne mekaniske sammenlåsingen krever ingen kjemisk binding og blir ikke beseiret av lav overflateenergi.
Tabell 1: Alvorlighetsgrad av skalering vs. PTFE-veggtemperatur for vanlige utfellinger av baderom.
| Veggtemperatur (grad) | Kalsiumsulfatskala | Kalsiumkarbonatskala | Metallhydroksidslam | Skala vedheftstyrke |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimal | Minimal | Løs, lett skylles | Veldig svak |
| 80-100 | Lett innskudd | Lett innskudd | Moderat tilslutning | Svak |
| 100-120 | Moderat målestokk | Moderat målestokk | Fast festet | Moderat |
| 120-140 | Tung krystallinsk skala | Tung skala | Sterkt bundet | Sterk |
| 140-160 | Alvorlig, rask oppbygging | Alvorlig | Vanskelig å fjerne | Veldig sterk |
| >160 | Ekstrem nedbør | Ekstrem | Krever mekanisk fjerning | Ekstrem |
Data for kalsiumsulfat fra svovelsyre-kalsiumholdige bad; kalsiumkarbonat fra hardtvannssystemer; metallhydroksider fra jern og aluminium-holdige elektrolytter. Vedheft målt ved trykk for fjerning av vannstråle.
Veggtemperaturutløseren
Overgangen fra håndterlig til problematisk avskalering skjer ved veggtemperaturer mellom 100 grader og 120 grader for de fleste vanlige nedbørsmengdene. Under 100 grader er overflatekrystalliseringshastigheten langsom. PTFEs lave overflateenergi gir meningsfull fordel ved å forhindre den første krystallkjernedannelsen som fører til mekanisk sammenlåsing.
Over 120 grader akselererer krystalliseringshastigheten eksponentielt. Grenselaget blir raskt overmettet. Krystaller kjernener seg i overflod, og overvelder all kjernedannelsesmotstand fra overflaten med lav-energi. Når et tynt krystalllag dannes, skjer påfølgende krystallvekst på eksisterende skala, ikke på PTFE. Overflateenergien til PTFE blir irrelevant.
Damptrykket styrer veggtemperaturen direkte. Damp ved 3 barg produserer 143 graders metningstemperatur, og skaper veggtemperaturer i området 120-140 grader. Dette er faresonen der skalering går over fra sjenanse til problem. Damp ved 6 barg presser veggtemperaturen godt inn i det alvorlige skaleringsregimet.
Forebyggingsstrategier
Reduser damptrykket til et minimum som oppfyller varmekravene. Lav-damp ved 1-2 barg holder veggtemperaturen under 120 grader, hvor PTFEs anti-adhesjonsegenskaper forblir effektive. Straffen er større nødvendig areal. Fordelen er dramatisk redusert skalering.
Øk løsningshastigheten over røroverflaten. Høyere hastighet tynner ut grenselaget, og reduserer oppholdstiden for krystallkjernedannelse. Det øker også skjærkraften som virker på eventuelle krystaller som dannes, og hjelper til å løsne dem før de vokser seg store nok til mekanisk sammenlåsing.
For applikasjoner hvor høyt damptrykk er uunngåelig, aksepter at periodisk avkalking vil være nødvendig. Avkalkingen av PTFE-spoler er enklere enn metallspoler-skalaen kan ofte knekkes av ved å bøye slangen, og den kjemisk inerte overflaten tåler syrerengjøring uten korrosjon.
Sammendrag
PTFE-varmevekslerskalering over 150 graders veggtemperatur skjer gjennom overflatekrystallisering og mekanisk sammenlåsing, ikke kjemisk vedheft. Anti-adhesjonsegenskapen til PTFE er reell, men overveldes av rask krystalliseringskinetikk ved høye temperaturer.
Ved å holde veggtemperaturen under 120 grader gjennom redusert damptrykk bevares non-{1}}fordelen. Høyere løsningshastighet supplerer dette ved å øke skjærfjerning av begynnende krystaller. Når drift med høy-temperatur er uunngåelig, blir periodisk mekanisk eller kjemisk avkalking en del av vedlikeholdsrutinen.
Tekniske anbefalinger for kalkforebygging i spesifikke PTFE-varmevekslerapplikasjoner er tilgjengelige ved innsending av løsningskjemi, driftstemperatur, damptrykk og observert skaleringshistorikk.
