¿Cómo cambia el factor de incrustación de un intercambiador de PTFE con la rugosidad de la superficie del tubo?

La rugosidad a nanoescala de la pared del tubo es un campo de batalla vital en la guerra contra la contaminación de los intercambiadores de calor. Una superficie rugosa es un paisaje de picos y valles, que proporciona un millón de puntos diminutos y protegidos donde se adhieren los cristales de escamas y las biopelículas pegajosas. En comparación, una superficie pulida y plana como un espejo ofrece muchos menos puntos de apoyo. Por lo tanto, el factor de incrustación, una penalización térmica aplicada por un diseñador para tener en cuenta esta suciedad inevitable, es sensible a la rugosidad superficial inicial del tubo. Pero cuando se trata de PTFE, todos los tubos ya son muy resbaladizos.

El artículo analiza la relación entre los diferentes factores de incrustación y la rugosidad de la superficie de los tubos de PTFE en comparación con los tubos metálicos, y por qué la suavidad inherente del PTFE hace que el pulido sea redundante.

Comprender el factor de contaminación
Qué significa el factor de contaminación
El factor de incrustación (comúnmente representado como ��Rf​ en el diseño del intercambiador de calor) es una resistencia térmica adicional que se utiliza en el cálculo general de la transferencia de calor para tener en cuenta el desarrollo progresivo de depósitos en la superficie de transferencia de calor. Estos depósitos (incrustaciones, sedimentos, desarrollo biológico o productos de reacciones químicas) forman una capa adicional de aislamiento que degrada la eficacia del intercambiador con el tiempo. El factor de incrustación se da en unidades de m 2 K/W y se suma a la suma de las otras resistencias térmicas (pared del tubo, películas fluidas) para llegar al coeficiente general de transferencia de calor de diseño (valor U-).

Los estándares de diseño como los publicados por la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) especifican factores de incrustación para diferentes fluidos y materiales de tubos. Estas directrices son el resultado de décadas de experiencia industrial con tubos metálicos (acero al carbono, acero inoxidable, latón almirantazgo, etc.). Si se sabe que la superficie del tubo promueve la adherencia de los depósitos, entonces se aplica un factor de incrustación mayor para el fluido y servicio dados.

Influencia de la rugosidad de la superficie en el ensuciamiento
El ensuciamiento depende de la rugosidad de la superficie, como es bien sabido. Una superficie rugosa:

Aumenta el área efectiva para la nucleación de depósitos.

Ubicaciones de entrelazado mecánico para el anclaje de cristales o biopelículas.

Crea zonas estacionarias en los canales de la superficie donde se puede desarrollar sobresaturación localizada y crecimiento microbiológico.

Los depósitos están ocultos en huecos protegidos del flujo principal, lo que ralentiza la eliminación de los depósitos por parte del flujo de fluido.

Por lo tanto, para un fluido y una velocidad de flujo determinados, un tubo con una rugosidad superficial más baja (más suave) tenderá a tener una tasa de incrustación más baja y una resistencia a la incrustación de equilibrio más baja. Esto es válido tanto para tubos metálicos como de polímero.

La rugosidad natural de la superficie del PTFE
Como-tubo de PTFE extruido: suave desde el principio
Los tubos de PTFE normalmente se producen por extrusión o raspando (pelando) un tocho. La superficie resultante es naturalmente muy lisa. Los valores promedio típicos de rugosidad superficial (Ra) para PTFE as-extruido son los siguientes:

Tubo de PTFE extruido estándar Ra=0.2 – 0,5 micrómetros (μm)

Tubo de PTFE raspado: Ra=0.4 – 0,8 µm (un poco más rugoso debido al procedimiento de corte)

A modo de comparación, la rugosidad de la superficie de los tubos metálicos típicos utilizados en el servicio de intercambiadores de calor es:

Tubo de acero inoxidable sin costura (tal como se dibuja) Ra=0.8 – 1,5 µm

Tubo de acero al carbono sin costura (tal como-dibujado): Ra=1.0-2.5 µm

Tubería de acero, soldada, limpieza interior: Ra=2.0 – 5,0 µm (o mayor)

Tubo de acero inoxidable pulido mecánicamente, Ra=0.1 - 0.3 µm (tras un costoso acabado)

Por lo tanto, incluso un tubo de PTFE extruido normalmente tiene una rugosidad superficial comparable a la de un tubo de metal pulido. El PTFE comienza su vida con una piel-suave como el vidrio que ya lleva décadas de ventaja en la guerra contra las superficies metálicas más ásperas y picadas.

La opción de pulido del PTFE
El PTFE se puede pulir aún más mecánicamente (usando abrasivos finos) o mediante pulido con llama (fundiendo la superficie para que fluya hacia un acabado suave). El Ra de un tubo de PTFE se puede pulir hasta 0,05 – 0,1 µm. Sin embargo, esta técnica añade gastos y puede afectar la tolerancia dimensional del tubo. Además, hay pocas ventajas prácticas en el pulido de PTFE ya que la superficie inicial ya es tan suave que la mejora marginal en la contaminación es relativamente pequeña.

Influencia de la rugosidad de la superficie de PTFE en el factor de incrustación
La pequeña diferencia entre el PTFE estándar y el pulido
Para un fluido de proceso y un estado operativo determinados, la reducción del factor de incrustación lograda al pulir un tubo de PTFE de Ra=0.4 µm a Ra=0.1 µm suele ser mínima, a menudo menos del 5 % al 10 % de la resistencia general a la incrustación. Esto se debe a que la tasa de incrustación ya es bastante baja en la superficie normal de PTFE. Los otros depósitos son generalmente los unidos químicamente o los formados a partir de fluidos sobresaturados donde la energía superficial, en lugar de la rugosidad, impulsa la adhesión.

En la mayoría de los diseños de intercambiadores, la diferencia en el margen de contaminación necesario entre un tubo de PTFE convencional y uno pulido es tan pequeña que entra dentro del margen de seguridad del cálculo. Por lo tanto, los tubos de PTFE pulidos rara vez se especifican en la práctica industrial únicamente para el manejo de incrustaciones. Los tubos de PTFE extruidos estándar suelen considerarse bastante lisos.

La diferencia mucho mayor: PTFE versus metal
El gran aumento en el rendimiento de incrustaciones no se da entre el PTFE normal y el pulido, sino entre cualquier tubo de PTFE y cualquier tubo de metal. Para un servicio acuoso típico en el que se forman incrustaciones de carbonato de calcio, el factor de incrustación recomendado por TEMA para un tubo de acero al carbono puede ser de 0,00035 m 2 K/W (para agua pura de río) a 0,00088 m 2 K/W (para agua de torre de enfriamiento). Los fluoropolímeros no se enumeran específicamente en TEMA, aunque con frecuencia se utiliza un factor de incrustación de diseño de 0,00009 – 0,00018 m2·K/W para un tubo de PTFE. Esta disminución del 50-80 % se debe al efecto combinado de dos factores:

Rugosidad superficial ultra-baja - El PTFE no tiene fisuras ni asperezas que puedan retener los depósitos.

El - PTFE de muy baja energía superficial es antiadherente. Los depósitos tienen una fuerza adhesiva muy baja y pueden eliminarse fácilmente con un corte fluido.

El segundo factor, la energía superficial, suele ser más relevante que la rugosidad por sí sola. Incluso una superficie metálica perfectamente lisa tiene una alta energía superficial que favorece la unión química de moléculas polares (agua, iones y compuestos orgánicos, por ejemplo), que posteriormente actúan como imprimadores para la deposición adicional de incrustaciones. La baja energía superficial del PTFE (18–20 mN/m versus 30–50 mN/m para el acero inoxidable) significa que los depósitos, si se producen, están poco adheridos y pueden eliminarse mediante un flujo moderado.

Implicaciones prácticas del diseño
Parámetros de incrustaciones de TEMA y PTFE
Las tablas de factores de incrustación estándar de TEMA no incluyen PTFE. El ingeniero responsable debe:

Utilice un valor de un estudio publicado o de una guía del fabricante (generalmente 0,00009 – 0,00018 m²·K/W para servicios limpios, hasta 0,00035 para servicios con incrustaciones severas).

Aplique el factor de reducción al resultado de TEMA para el mismo fluido en un tubo de metal. Como regla general: el PTFE tiene un factor de contaminación del 20 al 40 % del del acero inoxidable en las mismas condiciones.

El PTFE ya se encuentra en el extremo inferior del metal pulido en términos de rugosidad superficial, por lo que especificar "PTFE pulido" no modifica el factor de incrustación recomendado de ninguna manera significativa.

¿Cuándo importa la rugosidad de la superficie del PTFE?
En algunas circunstancias, podría estar justificada una superficie de PTFE más lisa (p. ej., pulida):

Fabricación biofarmacéutica o de alimentos donde algunos hoyos o raspaduras pueden albergar microorganismos. La baja energía superficial del PTFE evita la adhesión de biopelículas, pero los estándares regulatorios (p. ej., validación de limpieza-in-lugar) pueden requerir una superficie pulida (Ra < 0,1 µm). Aquí la necesidad viene dictada por la facilidad de limpieza y la documentación, no por ningún cambio observable en el factor de contaminación térmica.

Servicios con partículas muy pequeñas que pueden entrelazarse mecánicamente en defectos de la superficie. Nuevamente, el PTFE normal es bastante suave tal como está, pero el pulido puede proporcionar una ventaja incremental para partículas sub-micrónicas.

Estética o especificación del cliente Algunos clientes exigen que todas las superficies mojadas tengan un acabado liso.

El peligro del pulido excesivo-
Un exceso de-pulido del PTFE puede proporcionar una superficie demasiado lisa para algunos fines. Por ejemplo, en un evaporador o condensador de película descendente, una superficie muy lisa podría disminuir la humectabilidad y aumentar la formación de gotas en lugar del flujo de película, lo que perjudica la transferencia de calor. Pero eso es diferente a cometer faltas.

Medición y verificación de rugosidad superficial de PTFE
En caso de que se desee una cierta rugosidad, ésta debe indicarse como un valor Ra máximo calculado según una norma internacional (por ejemplo, ISO 4287 o ASME B46.1). Se utiliza un perfilómetro de contacto o un perfilador óptico sin contacto. Valores típicos para PTFE:

PTFE extruido estándar: Ra £ 0,5 micras

PTFE pulido: Ra Menor o igual a 0,1 μm

PTFE raspado (no-pulido) Ra< 0.8 µm

Para la mayoría de las aplicaciones de intercambiadores de calor no se necesita una especificación de rugosidad. Tubos de PTFE, acabado comercial normal, extruidos.

CONCLUSIÓN: LA VENTAJA YA EXISTE
Un tubo más liso siempre se ensucia menos. La diferencia entre un tubo de PTFE básico y uno pulido es insignificante. El polímero en sí ya es bastante liso y tiene una energía superficial baja, por lo que tiene una gran ventaja sobre cualquier metal. Este beneficio debería reflejarse en el factor de contaminación atribuido a un intercambiador de PTFE. El pulido de los tubos rara vez produce una disminución significativa de la resistencia al ensuciamiento térmico. La superficie antiincrustante óptima es aquella que sea físicamente lisa y químicamente repelente, y el PTFE ofrece ambas características en su forma extruida ordinaria. Para aplicaciones sensibles a la incrustación-, los diseñadores pueden emplear con seguridad tubos de PTFE convencionales sabiendo que el factor de incrustación será mucho menor que el de cualquier metal y que un mayor pulido es un lujo innecesario.