Comment le facteur d'encrassement d'un échangeur PTFE évolue-t-il en fonction de la rugosité de la surface du tube ?

La rugosité nanométrique de la paroi du tube constitue un champ de bataille essentiel dans la lutte contre l'encrassement des échangeurs de chaleur. Une surface rugueuse est un paysage de pics et de vallées, offrant un million de points d’achat minuscules et protégés sur lesquels s’accrocher des cristaux de tartre et des biofilms collants. En comparaison, une surface plane et polie comme un miroir offre beaucoup moins de points d’appui. Ainsi, le facteur d'encrassement, une pénalité thermique ajoutée par un concepteur pour tenir compte de cette saleté inévitable, est sensible à la rugosité initiale de la surface du tube. Mais lorsqu’il s’agit de PTFE, tous les tubes sont déjà très glissants.

L'article discute de la relation entre les différents facteurs d'encrassement et la rugosité de la surface des tubes en PTFE par rapport aux tubes métalliques, et explique pourquoi la douceur inhérente du PTFE rend le polissage superflu.

Comprendre le facteur d'encrassement
Que signifie le facteur d'encrassement
Le facteur d'encrassement (généralement représenté par ��Rf​ dans la conception des échangeurs de chaleur) est une résistance thermique supplémentaire utilisée dans le calcul global du transfert de chaleur pour tenir compte du développement progressif des dépôts sur la surface de transfert de chaleur. Ces dépôts – tartre, sédiments, développement biologique ou produits de réaction chimique – constituent une couche supplémentaire d'isolation qui dégrade l'efficacité de l'échangeur au fil du temps. Le facteur d'encrassement est donné en unités de m 2 K/W et est ajouté à la somme des autres résistances thermiques (paroi du tube, films fluides) pour arriver au coefficient de transfert thermique global de conception (valeur U-).

Les normes de conception telles que celles publiées par la Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) spécifient les facteurs d'encrassement pour différents fluides et matériaux de tubes. Ces directives sont le résultat de décennies d'expérience industrielle avec les tubes métalliques (acier au carbone, acier inoxydable, laiton amirauté, etc.). Si l'on sait que la surface du tube favorise l'adhérence des dépôts, alors un facteur d'encrassement plus élevé est appliqué pour le fluide et le service donnés.

Influence de la rugosité de surface sur l'encrassement
L'encrassement dépend de la rugosité de la surface, comme cela est bien connu. Une surface rugueuse :

Augmente la zone efficace de nucléation des dépôts

Emplacements de verrouillage mécanique pour l'ancrage des cristaux ou des biofilms.

Crée des zones stationnaires dans les creux de surface où une sursaturation localisée et une croissance microbiologique peuvent se développer.

Les dépôts sont cachés dans des évidements protégés du flux principal, ralentissant ainsi l'élimination par cisaillement des dépôts par le flux de fluide.

Par conséquent, pour un fluide et une vitesse d'écoulement donnés, un tube avec une rugosité de surface plus faible (plus lisse) aura tendance à avoir un taux d'encrassement plus faible et une résistance à l'encrassement à l'équilibre plus faible. Ceci est valable pour les tubes en métal et en polymère.

La rugosité naturelle de la surface du PTFE
Comme-Tuyau en PTFE extrudé : lisse dès le début
Les tubes en PTFE sont normalement produits par extrusion ou par décollage (pelage) à partir d'une billette. La surface obtenue est naturellement très lisse. Les valeurs moyennes typiques de rugosité de surface (Ra) pour le PTFE tel que-extrudé sont les suivantes :

Tube PTFE extrudé standard Ra=0.2 – 0,5 micromètres (µm)

Tube PTFE biseauté : Ra=0.4 – 0,8 µm (un peu plus rugueux en raison de la procédure de coupe)

À titre de comparaison, la rugosité de surface des tubes métalliques typiques utilisés dans les échangeurs de chaleur est :

Tube en acier inoxydable sans soudure (tel que dessiné) Ra=0.8 – 1,5 µm

Tube en acier au carbone sans soudure (tel que-étiré) : Ra=1.0-2.5 µm

Tuyaux en acier, soudés, nettoyage intérieur : Ra=2.0 – 5,0 µm (ou plus)

Tube en acier inoxydable poli mécaniquement, Ra=0.1 - 0.3 µm (après finition coûteuse)

Ainsi, même un tube en PTFE tel que-extrudé présente généralement une rugosité de surface comparable à celle d'un tube en métal poli. Le PTFE commence sa vie avec une peau lisse comme du verre qui a déjà des décennies d'avance dans la guerre contre l'encrassement contre les surfaces métalliques les plus rugueuses et les plus piquées.

L'option de polissage du PTFE
Le PTFE peut être ensuite poli mécaniquement (à l'aide d'abrasifs fins) ou par polissage à la flamme (en faisant fondre la surface pour obtenir une finition lisse). Le Ra d'un tube PTFE peut être poli jusqu'à 0,05 – 0,1 µm. Cependant, cette technique ajoute des coûts et peut avoir un impact sur la tolérance dimensionnelle du tube. De plus, le polissage du PTFE présente peu d’avantages pratiques car la surface de départ est déjà si lisse que l’amélioration marginale de l’encrassement est relativement faible.

Influence de la rugosité de la surface du PTFE sur le facteur d'encrassement
La petite différence entre le PTFE standard et le PTFE poli
Pour un fluide de procédé et un état de fonctionnement particuliers, la réduction du facteur d'encrassement obtenue en polissant un tube en PTFE de Ra=0.4 µm à Ra=0.1 µm est généralement minime, souvent inférieure à 5 à 10 % de la résistance globale à l'encrassement. En effet, le taux d'encrassement est déjà assez faible sur la surface normale en PTFE. Les autres dépôts sont généralement ceux liés chimiquement ou formés à partir de fluides sursaturés où l’énergie de surface, plutôt que la rugosité, détermine l’adhésion.

Dans la plupart des conceptions d'échangeurs, la différence de marge d'encrassement nécessaire entre un tube en PTFE conventionnel et un tube poli est si mineure qu'elle se situe dans la marge de sécurité du calcul. Par conséquent, les tubes en PTFE polis sont rarement spécifiés dans la pratique industrielle uniquement pour la gestion de l'encrassement. Les tubes PTFE extrudés standards sont généralement considérés comme suffisamment lisses.

La différence bien plus grande : PTFE vs métal
La grande augmentation des performances d'encrassement ne se situe pas entre le PTFE normal et le PTFE poli, mais entre n'importe quel tube en PTFE et n'importe quel tube métallique. Pour un service aqueux typique dans lequel du tartre de carbonate de calcium se forme, le facteur d'encrassement conseillé par TEMA pour un tube en acier au carbone peut être de 0,00035 m 2 K/W (pour l'eau de rivière pure) à 0,00088 m 2 K/W (pour l'eau d'une tour de refroidissement). Les polymères fluorés ne sont pas spécifiquement répertoriés dans TEMA, bien qu'un facteur d'encrassement de conception de 0,00009 à 0,00018 m2·K/W soit fréquemment utilisé pour un tube en PTFE. Cette diminution de 50 à 80 % est due à l’effet combiné de deux facteurs :

Ultra-rugosité de surface - Le PTFE ne présente aucune fissure ni aspérité pour retenir les dépôts.

Très faible énergie de surface - Le PTFE est antiadhésif-. Les dépôts ont une très faible force d’adhérence et peuvent être facilement balayés par un cisaillement fluide.

Le deuxième facteur, l’énergie de surface, est généralement plus pertinent que la seule rugosité. Même une surface métallique parfaitement lisse possède une énergie de surface élevée qui favorise la liaison chimique des molécules polaires (eau, ions et composés organiques, par exemple), qui agissent ensuite comme amorces pour un dépôt de tartre supplémentaire. La faible énergie de surface du PTFE (18 à 20 mN/m contre 30 à 50 mN/m pour l'acier inoxydable) signifie que les dépôts, s'ils se produisent, adhèrent faiblement et peuvent être éliminés par un débit modéré.

Implications pratiques en matière de conception
Paramètres d'encrassement TEMA et PTFE
Les tableaux de facteurs d'encrassement standard TEMA n'incluent pas le PTFE. L'ingénieur responsable doit :

Utilisez une valeur issue d'une étude publiée ou des directives du fabricant (généralement 0,00009 – 0,00018 m²·K/W pour les services propres, jusqu'à 0,00035 pour les services sévèrement mis à l'échelle).

Appliquer le facteur de réduction au résultat TEMA pour le même fluide sur un tube métallique. En règle générale : le PTFE a un facteur d'encrassement de 20 à 40 % de celui de l'acier inoxydable dans les mêmes conditions.

Le PTFE se situe déjà dans la catégorie inférieure des métaux polis en termes de rugosité de surface, donc la spécification de « PTFE poli » ne modifie pas le facteur d'encrassement recommandé de manière significative.

Quand la rugosité de la surface est-elle importante pour le PTFE
Dans certaines circonstances, une surface en PTFE plus lisse (par exemple polie) peut être garantie :

Fabrication biopharmaceutique ou alimentaire où quelques piqûres ou éraflures peuvent abriter des micro-organismes. La faible énergie de surface du PTFE empêche l'adhésion du biofilm, mais les normes réglementaires (par exemple, validation du nettoyage -sur place-) peuvent nécessiter une surface polie (Ra < 0,1 µm). Ici, le besoin est dicté par la nettoyabilité et la documentation, et non par un changement observable du facteur d'encrassement thermique.

Services contenant de très petites particules qui peuvent s'incruster mécaniquement dans les défauts de surface. Encore une fois, le PTFE normal est assez lisse tel quel, mais le polissage peut offrir un avantage supplémentaire pour les particules inférieures au micron-.

Esthétique ou spécification du client Certains clients exigent que toutes les surfaces mouillées aient une finition lisse.

Le danger d'un-polissage excessif
Un-polissage excessif du PTFE peut donner une surface trop lisse à certaines fins. Par exemple, dans un évaporateur ou un condenseur à film tombant, une surface très lisse peut diminuer la mouillabilité et augmenter la formation de gouttelettes plutôt que l'écoulement du film, ce qui altère le transfert de chaleur. Mais c’est autre chose qu’une faute.

Mesure de rugosité de surface et vérification du PTFE
Si une certaine rugosité est souhaitée, celle-ci doit être indiquée comme une valeur Ra ​​maximale calculée selon une norme internationale (par exemple ISO 4287 ou ASME B46.1). Un profilomètre à contact ou un profileur optique sans -contact est utilisé. Valeurs typiques pour le PTFE :

PTFE extrudé standard : Ra £ 0,5 micron

PTFE poli : Ra Inférieur ou égal à 0,1 μm

PTFE biseauté (non-poli) Ra< 0.8 µm

Pour la plupart des applications d'échangeurs de chaleur, une spécification de rugosité n'est pas nécessaire. Tubes PTFE, finition commerciale normale, tels qu'extrudés.

CONCLUSION : L'AVANTAGE EXISTE DÉJÀ
Un tube plus lisse encrasse toujours moins. La différence entre un tube PTFE basique et un tube poli est négligeable. Le polymère lui-même est déjà assez lisse et possède une faible énergie de surface, il présente donc un énorme avantage sur n'importe quel métal. Cet avantage devrait se refléter dans le facteur d'encrassement attribué à un échangeur en PTFE. Le polissage des tubes entraîne rarement une diminution significative de la résistance à l'encrassement thermique. La surface antisalissure optimale est celle qui est physiquement lisse et chimiquement répulsive et le PTFE offre ces deux caractéristiques sous sa forme extrudée ordinaire. Pour les applications sensibles à l'encrassement, les concepteurs peuvent utiliser en toute sécurité des tubes PTFE conventionnels en sachant que le facteur d'encrassement sera bien inférieur à celui de n'importe quel métal et qu'un polissage supplémentaire est un luxe inutile.