Die überraschende Maßstabsebene
PTFE zeichnet sich durch seine Antihaft--Oberfläche aus. Die niedrige Oberflächenenergie stößt Wasser ab, verhindert die Anhaftung und verhindert, dass sich die meisten Ablagerungen festsetzen. Dennoch entdecken Betreiber nach Monaten des Betriebs gelegentlich eine harte, anhaftende Kalkschicht auf PTFE-Wärmetauscherrohren. Die Antihaftoberfläche-scheint defekt zu sein.
Die Ablagerungen sind kein Fehler der PTFE-Materialeigenschaften. Es handelt sich um eine Nichteinhaltung der Temperaturgrenzen, innerhalb derer das Objekt betrieben wird. Oberhalb einer kritischen Wandtemperatur überwältigt die physikalische Ablagerungsbildung den Anti--Adhäsionsvorteil von PTFE. Die Bindung der Ablagerungen erfolgt nicht durch chemische Adhäsion, sondern durch einen anderen Mechanismus: die kristalline Verzahnung mit der Polymeroberfläche.
Die zwei Skalierungsmechanismen
Auf Wärmetauscheroberflächen bildet sich durch zwei unterschiedliche Mechanismen Ablagerungen. Die erste ist die Partikelablagerung: Vor-gebildete Kristalle in der Massenlösung setzen sich auf der Oberfläche ab und haften durch Van-der-Waals-Kräfte. Die niedrige Oberflächenenergie von PTFE widersteht diesem Mechanismus wirksam. Die schwachen Anziehungskräfte können die Tendenz der Partikel, sich wieder in die fließende Lösung einzuschleichen, nicht überwinden.
Der zweite Mechanismus ist die Oberflächenkristallisation: Gelöste Ionen fallen direkt auf der Wärmeübertragungsoberfläche aus. Dies geschieht, wenn die Wandtemperatur zu lokalen Konzentrationsänderungen führt. Bei umgekehrt löslichen Salzen wie Calciumsulfat, Calciumcarbonat und Calciumphosphat nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur ab. Die heißeste Oberfläche im System -die Wand des Wärmetauscherrohrs-wird zur bevorzugten Niederschlagsstelle.
Für die Oberflächenkristallisation ist keine chemische Haftung erforderlich. Kristalle entstehen in der Grenzschicht direkt neben der Rohrwand und wachsen dann zu einer mikro{1}rauen Oberfläche heran. Der wachsende Kristall verzahnt sich physikalisch mit der Topographie der Polymeroberfläche. Diese mechanische Verzahnung erfordert keine chemische Bindung und wird nicht durch niedrige Oberflächenenergie beeinträchtigt.
Tabelle 1: Schweregrad der Ablagerungen im Vergleich zur PTFE-Wandtemperatur für übliche Plattierungsbad-Ausfällungen
| Wandtemperatur (Grad) | Calciumsulfat-Skala | Calciumcarbonat-Skala | Metallhydroxidschlamm | Haftfestigkeit der Skala |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimal | Minimal | Locker, leicht ausspülbar | Sehr schwach |
| 80-100 | Leichte Einlage | Leichte Einlage | Mäßige Einhaltung | Schwach |
| 100-120 | Mittlerer Maßstab | Mittlerer Maßstab | Fest befestigt | Mäßig |
| 120-140 | Schwerer kristalliner Belag | Schwerer Maßstab | Stark verklebt | Stark |
| 140-160 | Starker, schneller Aufbau | Schwer | Schwer zu entfernen | Sehr stark |
| >160 | Extremer Niederschlag | Extrem | Erfordert mechanische Entfernung | Extrem |
Daten für Calciumsulfat aus schwefelsäurehaltigen -calciumhaltigen Bädern; Calciumcarbonat aus Systemen mit hartem Wasser; Metallhydroxide aus eisen- und aluminiumhaltigen Elektrolyten. Haftung gemessen durch Wasserstrahl-Entfernungsdruck.
Der Wandtemperaturauslöser
Der Übergang von beherrschbarer zu problematischer Ablagerung erfolgt bei den meisten Ausfällungen bei Wandtemperaturen zwischen 100 und 120 Grad. Unterhalb von 100 Grad ist die Oberflächenkristallisationsrate langsam. Die niedrige Oberflächenenergie von PTFE bietet einen bedeutenden Vorteil, indem sie die anfängliche Kristallkeimbildung verhindert, die zu einer mechanischen Verzahnung führt.
Oberhalb von 120 Grad beschleunigt sich die Kristallisationsgeschwindigkeit exponentiell. Die Grenzschicht wird schnell übersättigt. Kristalle bilden sich in Hülle und Fülle und überwältigen jeglichen Keimbildungswiderstand der niederenergetischen Oberfläche. Sobald sich eine dünne Kristallschicht bildet, erfolgt das anschließende Kristallwachstum auf der vorhandenen Skala und nicht auf dem PTFE. Die Oberflächenenergie von PTFE wird irrelevant.
Der Dampfdruck steuert direkt die Wandtemperatur. Dampf bei 3 barg erzeugt eine Sättigungstemperatur von 143 Grad, wodurch Wandtemperaturen im Bereich von 120–140 Grad entstehen. Dies ist die Gefahrenzone, in der die Skalierung vom Ärgernis zum Problem wird. Dampf bei 6 barg bringt die Wandtemperatur deutlich in den Bereich starker Ablagerungen.
Präventionsstrategien
Reduzieren Sie den Dampfdruck auf das Minimum, das den Heizanforderungen entspricht. Dampf mit niedrigem-Druck und 1-2 barg hält die Wandtemperatur unter 120 Grad, wobei die Antihafteigenschaften von PTFE wirksam bleiben. Der Nachteil ist eine größere erforderliche Oberfläche. Der Vorteil ist eine drastisch reduzierte Skalierung.
Erhöhen Sie die Lösungsgeschwindigkeit über die Rohroberfläche. Höhere Geschwindigkeiten verdünnen die Grenzschicht und verkürzen die Verweilzeit für die Kristallkeimbildung. Es erhöht auch die Scherkraft, die auf eventuell gebildete Kristalle wirkt, und trägt dazu bei, diese zu lösen, bevor sie groß genug für eine mechanische Verzahnung werden.
Bei Anwendungen, bei denen ein hoher Dampfdruck unvermeidbar ist, müssen Sie damit rechnen, dass eine regelmäßige Entkalkung erforderlich ist. Das Entkalken von PTFE-Spulen ist einfacher als bei Metallspulen.-Der Zunder lässt sich häufig durch Biegen des Schlauchs ablösen, und die chemisch inerte Oberfläche verträgt eine Säurereinigung ohne Korrosion.
Zusammenfassung
Bei PTFE-Wärmetauschern kommt es bei einer Wandtemperatur von über 150 Grad durch Oberflächenkristallisation und mechanische Verzahnung und nicht durch chemische Adhäsion. Die Anti--Haftungseigenschaft von PTFE ist real, wird jedoch durch die schnelle Kristallisationskinetik bei erhöhten Temperaturen überlagert.
Wenn die Wandtemperatur durch reduzierten Dampfdruck unter 120 Grad gehalten wird, bleibt der Antihaftvorteil erhalten. Eine höhere Lösungsgeschwindigkeit ergänzt dies durch eine stärkere Entfernung entstehender Kristalle durch Scherung. Wenn ein Betrieb bei hohen-Temperaturen unvermeidbar ist, gehört eine regelmäßige mechanische oder chemische Entkalkung zur Wartungsroutine.
Technische Empfehlungen zur Ablagerungsverhinderung in bestimmten PTFE-Wärmetauscheranwendungen sind nach Vorlage der Lösungschemie, der Betriebstemperatur, des Dampfdrucks und der beobachteten Ablagerungshistorie verfügbar.
