การเกิดคราบสกปรกคือการสะสมของวัสดุที่ไม่พึงประสงค์บนพื้นผิวของแข็ง วัสดุที่ก่อให้เกิดคราบสกปรกอาจประกอบด้วยสิ่งมีชีวิต ( คราบสกปรกทางชีวภาพ , อินทรีย์) หรือสารที่ไม่มีชีวิต (อนินทรีย์) โดยทั่วไปแล้ว การเกิดคราบสกปรกจะแตกต่างจากปรากฏการณ์การเจริญเติบโตบนพื้นผิวอื่นๆ ตรงที่มันเกิดขึ้นบนพื้นผิวของส่วนประกอบ ระบบ หรือโรงงานที่ทำหน้าที่ตามที่กำหนดและมีประโยชน์ และกระบวนการเกิดคราบสกปรกนั้นขัดขวางหรือรบกวนการทำงานดังกล่าว

คำอื่นๆ ที่ใช้ในเอกสารวิชาการเพื่ออธิบายการเกิดคราบสกปรก ได้แก่ การก่อตัวของตะกอน การเกาะติดเป็นเปลือก การเกิดคราบแข็ง การตกตะกอน การเกิดคราบ การก่อตัวของคราบ การเกิดตะกรัน และการก่อตัวของกากตะกอน คำหกคำหลังนี้มีความหมายแคบกว่าคำว่า "การเกิดคราบสกปรก" ภายในขอบเขตของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเกี่ยวกับการเกิดคราบสกปรก และยังมีความหมายนอกเหนือขอบเขตนี้ด้วย ดังนั้นจึงควรใช้ด้วยความระมัดระวัง

ปรากฏการณ์การเกาะติดของสิ่งสกปรกเป็นเรื่องที่พบได้ทั่วไปและมีความหลากหลาย ตั้งแต่การเกาะติดของสิ่งสกปรกบนตัวเรือ พื้นผิวธรรมชาติในสภาพแวดล้อมทางทะเล ( การเกาะติดของสิ่งสกปรกในทะเล ) การเกาะติดของ สิ่งสกปรกบนชิ้นส่วน ถ่ายเทความร้อนผ่านส่วนประกอบที่อยู่ในน้ำหล่อเย็นหรือก๊าซ และแม้กระทั่งการเกิดคราบพลัคหรือหินปูนบนฟัน หรือคราบสะสมบนแผงโซลาร์เซลล์บนดาวอังคาร เป็นต้น

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การเกิดคราบสกปรกในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในอุตสาหกรรมเป็นหลัก แม้ว่าทฤษฎีเดียวกันนี้จะสามารถนำไปใช้กับคราบสกปรกประเภทอื่นๆ ได้เช่นกัน ในเทคโนโลยีการทำความเย็นและสาขาเทคนิคอื่นๆ มีการแบ่งแยกคราบสกปรกออกเป็นสองประเภท คือ คราบสกปรกขนาดใหญ่และคราบสกปรกขนาดเล็ก โดยคราบสกปรกขนาดเล็กมักป้องกันได้ยากกว่าและจึงมีความสำคัญมากกว่า

ตัวอย่างของส่วนประกอบที่อาจเกิดคราบสกปรก และผลกระทบที่เกิดจากคราบสกปรกนั้น:

• พื้นผิว แลกเปลี่ยนความร้อน – ลดประสิทธิภาพทางความร้อน ลดการไหลของความร้อน เพิ่มอุณหภูมิด้านร้อน ลดอุณหภูมิด้านเย็น ทำให้เกิดการกัดกร่อนใต้พื้นผิว และเพิ่มการใช้น้ำหล่อเย็น
• ท่อ, ช่องทางการไหล – ลดการไหล เพิ่มการลดลงของความดัน เพิ่มความดันต้นน้ำ เพิ่มการใช้พลังงาน อาจทำให้เกิดการแกว่งของการไหล การเกิดก้อนในการไหลแบบสองเฟส การเกิดโพรงอากาศ อาจเพิ่มความเร็วการไหลในที่อื่น อาจก่อให้เกิดการสั่นสะเทือน อาจทำให้เกิดการอุดตันของการไหล^{[ 1 ]}
• ตัวเรือ – ทำให้เกิดแรงต้าน เพิ่มขึ้น สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากขึ้น และลดความเร็วสูงสุด^{[ 2 ]}
• กังหัน – ลดประสิทธิภาพ เพิ่มโอกาสที่จะเกิดความเสียหาย
• แผงโซลาร์เซลล์ – ทำให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ลดลง;
• เยื่อรีเวิร์สออสโมซิส – เพิ่มแรงดันตก เพิ่มการใช้พลังงาน ลดอัตราการไหล เยื่ออาจเสียหาย (ในกรณีที่รุนแรง) ^{[ 3 ]}
• องค์ประกอบความร้อนไฟฟ้า– เพิ่มอุณหภูมิขององค์ประกอบ ทำให้เกิดการกัดกร่อนมากขึ้น และลดอายุการใช้งาน
• ลำกล้อง ปืน – เพิ่มแรงดันในห้องเผาไหม้; ทำให้การบรรจุกระสุนสำหรับปืนบรรจุจากปากกระบอกปืน ทำได้ยากขึ้น
• เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง – ความผิดปกติการชดเชยแกน^{[ 4 ]}อาจจำเป็นต้องลดกำลังการผลิตของโรงไฟฟ้า
• หัวฉีด/หัวพ่น (เช่น หัวฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในเตาเผา) – ปริมาณที่ฉีดไม่ถูกต้อง, หัวฉีดผิดรูป, ประสิทธิภาพของชิ้นส่วนลดลง, ชิ้นส่วนชำรุด;
• ท่อเวนทูรี , แผ่นรูรับแสง – การวัดอัตราการไหลที่ไม่แม่นยำหรือไม่ถูกต้อง
• ท่อปิโตต์ในเครื่องบิน – การแสดงความเร็วของเครื่องบินที่ไม่แม่นยำหรือคลาดเคลื่อน
• ขั้วหัวเทียนในรถยนต์ – เครื่องยนต์ทำงานผิดปกติ; ^{[ 5 ]}
• เขตการผลิตของแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมและบ่อน้ำมัน – การผลิตปิโตรเลียม ลดลง เมื่อเวลาผ่านไป การอุดตัน ในบางกรณีการไหลหยุดลงอย่างสมบูรณ์ภายในไม่กี่วัน^{[ 6 ]}
• ฟัน – ส่งเสริมให้เกิดโรคฟันหรือเหงือก ลดทอนความสวยงาม
• สิ่งมีชีวิต – การสะสมของแร่ธาตุส่วนเกิน (เช่น แคลเซียม เหล็ก ทองแดง) ในเนื้อเยื่อ (บางครั้งก็เป็นที่ถกเถียงกัน) มีความเชื่อมโยงกับการแก่ชรา / ความเสื่อมของร่างกาย

คราบสกปรกขนาดใหญ่เกิดจาก อนุภาค ขนาดใหญ่ที่มีต้นกำเนิดทางชีวภาพหรืออนินทรีย์ เช่นขยะ จากอุตสาหกรรม อนุภาคเหล่านี้เข้าสู่ระบบน้ำหล่อเย็นผ่านปั๊มน้ำ หล่อเย็นจากแหล่งต่างๆ เช่น ทะเลเปิดแม่น้ำหรือทะเลสาบในระบบปิด เช่นหอหล่อเย็นการปนเปื้อนของคราบสกปรกขนาดใหญ่เข้าไปในอ่างหอหล่อเย็นอาจเกิดขึ้นได้ผ่านทางคลองเปิดหรือโดยลม บางครั้งชิ้นส่วนภายในของหอหล่อเย็นอาจหลุดออกมาและถูกพัดพาเข้าไปในระบบน้ำหล่อเย็น สารเหล่านี้สามารถเกาะติดพื้นผิวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและอาจทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ลดลง นอกจากนี้ยังอาจทำให้เกิดการอุดตันของการไหล กระจายการไหลภายในชิ้นส่วน หรือทำให้เกิดความเสียหาย จากการเสียดสีได้

ตัวอย่าง

• ขยะที่มนุษย์สร้างขึ้น;
• ชิ้นส่วนภายในที่แยกออกจากกันของส่วนประกอบต่างๆ;
• เครื่องมือและ "สิ่งแปลกปลอม" อื่นๆ ที่เผลอทิ้งไว้หลังการบำรุงรักษา;
• สาหร่าย ;
• หอยแมลงภู่ ;
• ใบไม้ ส่วนต่างๆ ของพืช ไปจนถึงลำต้น ทั้งหมด

สำหรับการเกิดคราบจุลินทรีย์นั้น มีการแบ่งแยกดังนี้: ^{[ 7 ]}

• การเกิดคราบตะกรันหรือการตกตะกอนของเกลือออกไซด์และไฮดรอกไซด์ที่ เป็น ของแข็ง จาก สารละลายในน้ำ(เช่น แคลเซียมคาร์บอเนตหรือแคลเซียมซัลเฟต)
• การเกิดคราบสกปรก จากอนุภาคคือ การสะสมของอนุภาค โดยทั่วไปจะเป็น อนุภาค คอลลอยด์บนพื้นผิว
• การเกิดคราบกัดกร่อน เช่น การเจริญเติบโตของ คราบ กัดกร่อน ในบริเวณนั้น ตัวอย่างเช่น แมกนีไทต์บนพื้นผิวเหล็กกล้าคาร์บอน
• การเกิดคราบจากปฏิกิริยาเคมี เช่น การสลายตัวหรือการเกิดพอลิเมอไรเซชันของสารอินทรีย์บนพื้นผิวทำความร้อน
• การเกิดคราบจากการแข็งตัว – เกิดขึ้นเมื่อส่วนประกอบของของเหลวที่ไหลอยู่ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูง แข็งตัวเกาะบนพื้นผิวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือด
• การเกาะ ติดของสิ่งมีชีวิตเช่น การสะสมตัวของแบคทีเรียและสาหร่าย
• การเกิดคราบสกปรกแบบผสม หมายถึงการเกิดคราบสกปรกที่เกี่ยวข้องกับสารก่อคราบสกปรกหรือกลไกการเกิดคราบสกปรกมากกว่าหนึ่งอย่าง

การเกิดคราบตะกรันหรือการตกตะกอนเกี่ยวข้องกับการตกผลึกของเกลือออกไซด์และไฮดรอกไซด์ที่เป็นของแข็งจากสารละลายซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นสารละลายในน้ำ แต่ก็มีการเกิดคราบตะกรันจากสารละลายที่ไม่ใช่น้ำด้วยเช่นกัน การเกิดคราบตะกรันเป็นปัญหาที่พบได้บ่อยมากในหม้อไอน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กับน้ำกระด้างและมักส่งผลให้เกิดคราบหินปูน

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิการระเหย ของตัวทำละลาย หรือการกำจัดก๊าซความเข้มข้นของเกลืออาจเกินจุดอิ่มตัวส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของของแข็ง (โดยปกติจะเป็นผลึก)

ตัวอย่างเช่น สมดุลระหว่างแคลเซียมไบคาร์บอเนต ซึ่งละลายได้ง่าย และมีอยู่เสมอในน้ำธรรมชาติ กับแคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งละลายได้ยาก สามารถเขียนสมการเคมีได้ดังนี้:

${\displaystyle {\ce {\mathsf {{Ca(HCO3)2}_{(aqueous)}->{CaCO3(v)}+{CO2}\!{\uparrow }+H2O}}}}$

แคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานี้จะตกตะกอน เนื่องจากปฏิกิริยานี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และความผันผวนของ CO₂ เพิ่มขึ้น_ตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น การเกิดตะกรันจึงสูงกว่าที่ทางออกที่ร้อนกว่าของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเมื่อเทียบกับทางเข้าที่เย็นกว่า

โดยทั่วไปแล้ว ความสัมพันธ์ระหว่าง ความสามารถในการละลายของเกลือกับอุณหภูมิหรือการระเหย มักจะเป็นแรงผลักดันหลักที่ทำให้เกิดการตกตะกอนเกาะติด ความแตกต่างที่สำคัญคือระหว่างเกลือที่มีความสามารถในการละลายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแบบ "ปกติ" หรือ "ผกผัน" เกลือที่มีความสามารถในการละลายแบบ "ปกติ" จะมีความสามารถในการละลายเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และจะทำให้เกิดการตกตะกอนเกาะติดบนพื้นผิวระบายความร้อน ส่วนเกลือที่มีความสามารถในการละลายแบบ "ผกผัน" หรือ "ผกผัน" จะทำให้เกิดการตกตะกอนเกาะติดบนพื้นผิวทำความร้อน ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการละลายกับอุณหภูมิแสดงอยู่ในรูป แคลเซียมซัลเฟตเป็นสารที่ทำให้เกิดการตกตะกอนเกาะติดบนพื้นผิวทำความร้อนได้ทั่วไป เนื่องจากมีคุณสมบัติการละลายแบบผกผัน

การอุดตันจากการตกตะกอนสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องอาศัยความร้อนหรือการระเหย ตัวอย่างเช่น แคลเซียมซัลเฟตจะลดความสามารถในการละลายลงเมื่อความดันลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่การอุดตันจากการตกตะกอนของแหล่งกักเก็บและบ่อน้ำมันในแหล่งน้ำมัน ทำให้ผลผลิตลดลงเมื่อเวลาผ่านไป^{[ 8 ]} การอุดตันของเมมเบรนใน ระบบ รีเวิร์สออสโมซิสสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันของแบเรียมซัลเฟตในสารละลายที่มีความเข้มข้นของไอออน ต่างกัน ^{[ 3 ]}ในทำนองเดียวกัน การอุดตันจากการตกตะกอนสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการละลายที่เกิดจากปัจจัยอื่นๆ เช่นการระเหย ของของเหลว การกำจัดก๊าซของของเหลว การเปลี่ยนแปลงศักยภาพรีดอกซ์ หรือการผสมของกระแสของเหลวที่ไม่เข้ากัน

ต่อไปนี้คือรายการของระยะต่างๆ ของคราบตะกอนที่เกิดจากการตกตะกอนซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในอุตสาหกรรม โดยเกิดขึ้นจากสารละลายในน้ำ:

• แคลเซียมคาร์บอเนต ( แคลไซต์ , อาราโกไนต์โดยปกติที่อุณหภูมิ > ~50 °C หรือวาเทอไรต์ ในบางกรณี )
• แคลเซียมซัลเฟต ( แอนไฮไดรต์ , เฮมิไฮเดรต , ยิปซัม );
• แคลเซียมออกซาเลต (เช่น เบียร์สโตน);
• แบเรียมซัลเฟต ( แบไรต์ )
• แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ ( บรูไซต์ ); แมกนีเซียมออกไซด์ ( เพริคลาเซ );
• ซิลิเกต ( เซอร์เพนไทน์ , แอคไมต์ , ไจโรไลต์ , เกห์เลไนต์ , ซิลิกา อสัณฐาน , ควอตซ์ , คริสโตบาไลต์ , เพคโตไลต์ , โซโนไลต์ );
• อะลูมิเนียมออกไซด์ไฮดรอกไซด์ ( โบห์ไมต์ , กิบไซต์ , ไดแอสปอร์ , คอรันดัม );
• อะลูมิโนซิลิเกต ( อนาลไซต์ , แคนครินิต , โนเซไลต์ );
• ทองแดง ( ทองแดงโลหะ, คิวไพรต์ , เทโนไรต์ );
• ฟอสเฟต ( ไฮ ดรอกซีอะพาไทต์ )
• แมกเนไทต์หรือนิกเกิลเฟอร์ไรต์ (NiFe ₂ O ₄ ) จากน้ำบริสุทธิ์ที่มีธาตุเหล็กต่ำมาก^{[ 9 ]}

อัตราการตกตะกอนโดยหยาดน้ำฟ้ามักอธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

ขนส่ง: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{t}(C_{b}-C_{i})}$

การตกผลึกบนพื้นผิว: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{r}}(C_{i}-C_{e})^{n_{1}}}$

โดยรวม: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{d}(C_{b}-C_{e})^{n_{2}}}$

ที่ไหน:

${\displaystyle m}$– มวลของวัสดุ (ต่อหน่วยพื้นที่ผิว) กก./ ^ตร.ม.

${\displaystyle t}$– เวลา, วินาที

${\displaystyle C_{b}}$– ความเข้มข้นของสารในมวลของของเหลว, กก./ ^ลบ.ม.

${\displaystyle C_{i}}$– ความเข้มข้นของสารที่บริเวณรอยต่อ (กก./ลบ.ม. ⁾

${\displaystyle C_{e}}$– ความเข้มข้นสมดุลของสารที่สภาวะของส่วนต่อประสาน หน่วยเป็น กก./ ^ลบ.ม.

${\displaystyle n_{1},n_{2}}$– ลำดับปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาการตกผลึกและกระบวนการตกตะกอนโดยรวม ตามลำดับ ไม่มีหน่วย

${\displaystyle k_{t},k_{r},k_{d}}$– ค่าคงที่อัตราจลศาสตร์สำหรับการขนส่ง ปฏิกิริยาบนพื้นผิว และปฏิกิริยาการตกตะกอนโดยรวม ตามลำดับ โดยมีหน่วยเป็น m/s (เมื่อ)${\displaystyle n_{1}=n_{2}=1}$

การเกิดคราบสกปรกจากอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ (" คราบสกปรก ") หรือในก๊าซดำเนินไปตามกลไกที่แตกต่างจากการเกิดคราบสกปรกจากการตกตะกอน กระบวนการนี้มักมีความสำคัญมากที่สุดสำหรับ อนุภาค คอลลอยด์กล่าวคือ อนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าประมาณ 1 μm ในอย่างน้อยหนึ่งมิติ (แต่มีขนาดใหญ่กว่ามิติอะตอมมาก) อนุภาคจะถูกขนส่งไปยังพื้นผิวด้วยกลไกหลายอย่าง และที่นั่นพวกมันสามารถเกาะติดได้ เช่น โดยการตกตะกอนหรือการจับตัวเป็นก้อนโปรดทราบว่าการเกาะติดของอนุภาคคอลลอยด์มักเกี่ยวข้องกับแรงทางไฟฟ้า ดังนั้นพฤติกรรมของอนุภาคจึงขัดแย้งกับประสบการณ์จากโลกมหภาค ความน่าจะเป็นของการเกาะติดบางครั้งเรียกว่า " ความน่าจะเป็นของการยึดติด " : ^{[ 7 ]}${\displaystyle P}$

${\displaystyle k_{d}=Pk_{t}}$

โดยที่และคือค่าคงที่อัตราจลศาสตร์สำหรับการตกตะกอนและการขนส่งตามลำดับ ค่าของสำหรับอนุภาคคอลลอยด์เป็นฟังก์ชันของทั้งเคมีพื้นผิว รูปทรงเรขาคณิต และสภาวะ อุณหพลศาสตร์ เฉพาะที่${\displaystyle k_{d}}$${\displaystyle k_{t}}$${\displaystyle P}$

ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากการใช้ความน่าจะเป็นในการยึดติดคือการใช้ค่าคงที่อัตราการยึดติดแบบจลนศาสตร์ โดยสมมติว่าปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง: ^{[ 10 ] [ 11 ]}

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{a}}C_{i}}$

จากนั้นค่าสัมประสิทธิ์จลนศาสตร์การขนส่งและการยึดเกาะจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นสองกระบวนการที่เกิดขึ้นตามลำดับ:

${\displaystyle k_{d}=\left({\frac {1}{k_{a}}}+{\frac {1}{k_{t}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{d}}C_{b}}$

ที่ไหน:

• ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}}$คืออัตราการตกตะกอนของอนุภาค หน่วยเป็น kg m ⁻² s ⁻¹
• ${\displaystyle k_{a},k_{t},k_{d}}$คือค่าคงที่อัตราจลศาสตร์สำหรับการตกตะกอน หน่วยเป็น m/s
• ${\displaystyle C_{i}}$และคือความเข้มข้นของอนุภาคที่ก่อให้เกิดการปนเปื้อนที่บริเวณรอยต่อและในของเหลวส่วนใหญ่ ตามลำดับ (kg m ⁻³ )${\displaystyle C_{b}}$

เนื่องจากกลไกการเกิดคราบสกปรกนี้เป็นปรากฏการณ์ ทางเคมีบนพื้นผิวเป็นหลักกลไกนี้จึงมีความไวต่อปัจจัยที่ส่งผลต่อความเสถียรของคอลลอยด์ เช่นศักย์ซีตาอัตราการเกิดคราบสกปรกสูงสุดมักพบเมื่ออนุภาคที่ก่อให้เกิดคราบสกปรกและพื้นผิวมีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน หรือใกล้จุดที่มีประจุเป็นศูนย์ของฝ่ายใดฝ่ายหนึ่ง

อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าอนุภาคคอลลอยด์อาจทำให้เกิดการอุดตันได้ เช่น โดยการตกตะกอน ("การอุดตันจากการตกตะกอน") หรือการกรองผ่านช่องเปิดขนาดเล็ก

เมื่อเวลาผ่านไป คราบสะสมบนพื้นผิวที่เกิดขึ้นอาจแข็งตัวขึ้นผ่านกระบวนการต่างๆ ที่เรียกรวมกันว่า "การรวมตัวของคราบสะสม" หรือเรียกกันทั่วไปว่า "การเสื่อมสภาพตามอายุ"

คราบตะกอนอนุภาคทั่วไปที่เกิดขึ้นจากสารแขวนลอยในน้ำ ได้แก่:

• ออกไซด์ของเหล็กและออกซีไฮดรอกไซด์ของเหล็ก ( แมกเนไทต์ , ฮีมาไทต์ , เลพิโดโครไซต์ , แมกฮีไมต์ , โกเอไทต์ );
• การอุดตันจากการตกตะกอนโดยตะกอนดินและสารแขวนลอยที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่

การเกิดคราบสกปรกจากอนุภาคในละออง ก๊าซ ก็มีความสำคัญในอุตสาหกรรมเช่นกัน อนุภาคเหล่านี้อาจเป็นของแข็งหรือของเหลวก็ได้ ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ การเกิดคราบสกปรกจากก๊าซไอเสียหรือการเกิดคราบสกปรกบนชิ้นส่วนระบายความร้อนด้วยอากาศจากฝุ่นละอองในอากาศ กลไกต่างๆ ได้รับการกล่าวถึงในบทความเกี่ยวกับการสะสมของละอองลอย

คราบกัดกร่อนเกิดขึ้นในบริเวณที่เกิดการกัดกร่อนของวัสดุพื้นผิวซึ่งแตกต่างจากคราบสกปรกที่เกิดจากวัสดุที่มาจากภายนอก คราบกัดกร่อนไม่ควรสับสนกับคราบสกปรกที่เกิดจากผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นจากภายนอก โดยปกติแล้ว คราบกัดกร่อนจะมีองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบของวัสดุพื้นผิว นอกจากนี้ รูปทรงของส่วนต่อประสานระหว่างโลหะกับออกไซด์และออกไซด์กับของเหลวอาจช่วยให้สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างคราบกัดกร่อนและคราบสกปรกได้ ตัวอย่างของคราบสกปรกจากการกัดกร่อน ได้แก่ การเกิดคราบออกไซด์ของเหล็กหรือออกซีไฮดรอกไซด์จากการกัดกร่อนของเหล็กกล้าคาร์บอนที่อยู่ด้านล่าง คราบสกปรกจากการกัดกร่อนไม่ควรสับสนกับการกัดกร่อนจากคราบสกปรก กล่าวคือ การกัดกร่อนประเภทใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นจากคราบสกปรก

ปฏิกิริยาเคมีอาจเกิดขึ้นเมื่อสารเคมีในของเหลวในกระบวนการสัมผัสกับพื้นผิวถ่ายเทความร้อน ในกรณีเช่นนี้ พื้นผิวโลหะบางครั้งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนและการเกิดพอลิเมอร์เกิดขึ้นในน้ำหล่อเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเคมีซึ่งมีไฮโดรคาร์บอนในปริมาณเล็กน้อย ระบบในการแปรรูปปิโตรเลียมมีแนวโน้มที่จะเกิดพอลิเมอร์ไรเซชันของโอเลฟินหรือการสะสมของเศษส่วนหนัก ( แอสฟัลทีน แวกซ์ ฯลฯ) อุณหภูมิผนังท่อที่สูงอาจนำไปสู่การเกิดคาร์บอนของสารอินทรีย์ อุตสาหกรรมอาหาร^{[ 12 ]}เช่น การแปรรูปนม^{[ 13 ] [ 14 ]}ก็ประสบปัญหาการเกิดคราบสกปรกจากปฏิกิริยาเคมีเช่นกัน

การเกิดคราบสกปรกจากปฏิกิริยาไอออนิกที่ทำให้เกิดของแข็งอนินทรีย์นั้น โดยทั่วไปจัดเป็นการเกิดคราบสกปรกจากการตกตะกอน (ไม่ใช่การเกิดคราบสกปรกจากปฏิกิริยาเคมี)

การเกิดคราบแข็งเกิดขึ้นเมื่อส่วนประกอบของของเหลวที่ไหล "แข็งตัว" บนพื้นผิว ทำให้เกิดคราบแข็งสะสม ตัวอย่างเช่น การแข็งตัวของขี้ผึ้ง (ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูง) จากสารละลายไฮโดรคาร์บอน หรือเถ้าหลอมเหลว (ที่มากับก๊าซไอเสียจากเตาเผา) บนพื้นผิวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน พื้นผิวจะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าพื้นผิวนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดแข็งตัวของสารที่ก่อให้เกิดคราบแข็ง

การเกิดคราบชีวภาพหรือ การเกาะติดของสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กบนพื้นผิว คือการสะสมตัวที่ไม่พึงประสงค์ของจุลินทรีย์ สาหร่าย ไดอะตอมพืช และสัตว์ บนพื้นผิวต่างๆ เช่น ตัวเรือและเรือดำน้ำ หรือท่อและอ่างเก็บน้ำที่มีน้ำไม่ผ่านการบำบัด ซึ่งอาจ accompanied by microbiologically influenced corrosion (MIC)

แบคทีเรียสามารถสร้างไบโอฟิล์มหรือเมือกได้ ดังนั้นสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จึงสามารถรวมตัวกันบนพื้นผิวโดยใช้ไฮโดรเจลคอลลอยด์ที่ประกอบด้วยน้ำและสารโพลีเมอร์นอกเซลล์ (EPS) ( เช่น พอลิแซ็กคาไรด์ ไขมัน กรดนิวคลีอิก เป็นต้น) โครงสร้างของไบโอฟิล์มมักมีความซับซ้อน

การเกิดคราบแบคทีเรียสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในสภาวะที่มีออกซิเจนละลายในน้ำ (แอโรบิก) และสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน (แอนแอโรบิก) ในทางปฏิบัติ แบคทีเรียแอโรบิกมักชอบระบบเปิด เมื่อมีออกซิเจนและสารอาหารส่งผ่านอย่างต่อเนื่อง มักอยู่ในสภาพแวดล้อมที่อบอุ่นและมีแสงแดดส่องถึง ส่วนการเกิดคราบแอนแอโรบิกมักเกิดขึ้นในระบบปิดเมื่อมีสารอาหารเพียงพอ ตัวอย่างเช่นแบคทีเรียที่ลดซัลเฟต (หรือแบคทีเรียที่ลดกำมะถัน ) ซึ่งผลิตซัลไฟด์และมักทำให้โลหะเหล็ก (และโลหะผสมอื่นๆ) เกิดการกัดกร่อน ในทางกลับกัน แบคทีเรียที่ออกซิไดซ์ซัลไฟด์ (เช่นAcidithiobacillus ) สามารถผลิตกรดซัลฟิวริกและอาจเกี่ยวข้องกับการกัดกร่อนของคอนกรีต

หอยมุกม้าลายเป็นตัวอย่างของสัตว์ขนาดใหญ่ที่ก่อให้เกิดการปนเปื้อนอย่างกว้างขวางในทวีปอเมริกาเหนือ

การเกิดคราบสกปรกแบบผสมเป็นเรื่องปกติ การเกิดคราบสกปรกประเภทนี้เกี่ยวข้องกับสารก่อคราบสกปรกมากกว่าหนึ่งชนิดหรือกลไกการเกิดคราบสกปรกมากกว่าหนึ่งอย่าง^{[ 15 ]}ที่ทำงานพร้อมกัน สารก่อคราบสกปรกหรือกลไกหลายอย่างอาจมีปฏิสัมพันธ์กัน ส่งผลให้เกิดคราบสกปรกแบบเสริมฤทธิ์ ซึ่งไม่ใช่ผลรวมทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของส่วนประกอบแต่ละส่วน^{[ 16 ]}

ยานสำรวจดาวอังคารของ NASA ( SpiritและOpportunity ) ประสบปัญหาการปนเปื้อนของแผงโซลาร์เซลล์ (ที่คาดว่าเกิดจากปัจจัยทางชีวภาพ) โดยอนุภาคฝุ่นจากชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร^{[ 17 ]}คราบสะสมบางส่วนถูกทำความสะอาดออกไปเอง ในภายหลัง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงลักษณะสากลของปรากฏการณ์การปนเปื้อน

วิธีที่ตรงไปตรงมาที่สุดในการวัดปริมาณการเกิดคราบสกปรกอย่างสม่ำเสมอ คือ การระบุปริมาณคราบสกปรกเฉลี่ยต่อพื้นที่ผิว เช่น กิโลกรัมของคราบสกปรกต่อพื้นที่ผิว ตร.ม. ^{อัตรา}การเกิดคราบสกปรกจะแสดงในหน่วย กิโลกรัม/ตร.ม. ^/วินาที โดยคำนวณจากการหารปริมาณคราบสกปรกต่อพื้นที่ผิวด้วยเวลาการทำงานจริง อัตราการเกิดคราบสกปรกแบบปรับค่ามาตรฐาน (ในหน่วย กิโลกรัม/ตร.ม./ ^{วินาที} ) จะคำนึงถึงความเข้มข้นของสารก่อคราบสกปรกในของเหลวในกระบวนการ (กิโลกรัม/กิโลกรัม) ในระหว่างการทำงานก่อนหน้าด้วย และมีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบอัตราการเกิดคราบสกปรกระหว่างระบบต่างๆ โดยคำนวณจากการหารอัตราการเกิดคราบสกปรกด้วยความเข้มข้นของสารก่อคราบสกปรก ค่าคงที่อัตราการเกิดคราบสกปรก (ม./วินาที) สามารถหาได้จากการหารอัตราการเกิดคราบสกปรกแบบปรับค่ามาตรฐานด้วยความหนาแน่นของมวลของของเหลวในกระบวนการ (กิโลกรัม/ม. ^³ )

ความหนาของคราบสะสม (μm) และความพรุน (%) มักถูกนำมาใช้ในการอธิบายปริมาณคราบสกปรกเช่นกัน การลดลงของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อหรือการเพิ่มขึ้นของความหยาบผิวอาจมีความสำคัญเป็นพิเศษเมื่อต้องการศึกษาผลกระทบของคราบสกปรกต่อการลดลงของความดัน

ในอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อน ซึ่งความกังวลหลักมักอยู่ที่ผลกระทบของการเกิดคราบสกปรกต่อการถ่ายเทความร้อน การเกิดคราบสกปรกสามารถวัดได้จากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานต่อการไหลของความร้อน (m²K ^/ W) อันเนื่องมาจากการเกิดคราบสกปรก (เรียกว่า " ความต้านทานจากคราบสกปรก ") หรือจากการเปลี่ยนแปลงของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (W/m²K ⁾เมื่อเวลาผ่านไป

หากการกัดกร่อนใต้ชั้นตะกอนหรือการกัดกร่อนตามรอยแตกเป็นข้อกังวลหลัก สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตความไม่สม่ำเสมอของความหนาของตะกอน (เช่นความเป็นคลื่น ของตะกอน ) การปนเปื้อนเฉพาะที่ การบรรจุตะกอนในบริเวณที่จำกัด การสร้างสิ่งกีดขวาง "รอยแตก" "ตุ่มตะกอน" ^{[ 18 ]}หรือกองตะกอน โครงสร้างตะกอนดังกล่าวสามารถสร้างสภาพแวดล้อมสำหรับการกัดกร่อนใต้ชั้นตะกอนของวัสดุพื้นผิว เช่นการโจมตีระหว่างเกรนการเกิดหลุม การแตกร้าวจากการกัดกร่อน จากความเค้น หรือการสึกหรอเฉพาะที่ความพรุนและการซึมผ่านของตะกอนมีแนวโน้มที่จะส่งผลต่อความน่าจะเป็นของการกัดกร่อนใต้ชั้นตะกอน องค์ประกอบของตะกอนก็มีความสำคัญเช่นกัน แม้แต่ส่วนประกอบเล็กน้อยของตะกอนบางครั้งก็อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงของโลหะที่อยู่ด้านล่าง (เช่น วานาเดียมในตะกอนของหม้อไอน้ำที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนจากความร้อน )

ไม่มีกฎตายตัวว่าควรยอมรับการสะสมของคราบได้มากแค่ไหน ขึ้นอยู่กับระบบ ในหลายกรณี คราบสะสมที่มีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตรก็อาจก่อให้เกิดปัญหาได้ คราบสะสมที่มีความหนาในระดับมิลลิเมตรจะเป็นปัญหาในเกือบทุกการใช้งาน

การสะสมของสิ่งสกปรกบนพื้นผิวไม่ได้เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอตามกาลเวลาเสมอไป สามารถแบ่งสถานการณ์การเกิดคราบสกปรกได้ดังนี้ ขึ้นอยู่กับลักษณะของระบบและสภาวะทางความร้อนและไฮดรอลิกเฉพาะที่บริเวณพื้นผิว:

• ระยะเริ่มต้น - บางครั้งอัตราการเกิดคราบสกปรกเกือบเป็นศูนย์จะถูกสังเกตเมื่อพื้นผิวใหม่หรือสะอาดมาก ซึ่งมักพบในคราบชีวภาพและคราบตกตะกอน หลังจาก "ระยะเริ่มต้น" อัตราการเกิดคราบสกปรกจะเพิ่มขึ้น ^{[ 19 ]}
• การเกิดคราบสกปรกแบบ "ติดลบ" - ปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อวัดอัตราการเกิดคราบสกปรกโดยการตรวจสอบการถ่ายเทความร้อน ปริมาณคราบสะสมที่ค่อนข้างน้อยสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเมื่อเทียบกับพื้นผิวที่สะอาด และทำให้ดูเหมือนว่าอัตราการเกิดคราบสกปรกและปริมาณคราบสกปรกทั้งหมดเป็น "ติดลบ" การเกิดคราบสกปรกแบบติดลบมักพบได้ภายใต้สภาวะการถ่ายเทความร้อนแบบเดือดเป็นฟอง (คราบสะสมช่วยกระตุ้นการเกิดฟอง) หรือการพาความร้อนแบบบังคับ (หากคราบสะสมเพิ่มความหยาบของพื้นผิวและพื้นผิวไม่ "เรียบทางไฮดรอลิก" อีกต่อไป) หลังจากช่วงเริ่มต้นของการ "ควบคุมความหยาบของพื้นผิว" อัตราการเกิดคราบสกปรกมักจะกลายเป็นบวกอย่างมาก
• การเกิดคราบสกปรกแบบเชิงเส้น - อัตราการเกิดคราบสกปรกอาจคงที่เมื่อเวลาผ่านไป นี่เป็นกรณีที่พบได้ทั่วไป
• การลดลงของคราบสกปรก - ในสถานการณ์นี้ อัตราการเกิดคราบสกปรกจะลดลงตามเวลา แต่จะไม่ลดลงจนเป็นศูนย์ ความหนาของคราบสกปรกจะไม่คงที่ ความคืบหน้าของการเกิดคราบสกปรกมักอธิบายได้ด้วยตัวเลขสองตัว คือ อัตราการเกิดคราบสกปรกเริ่มต้น ( เส้นสัมผัสกับเส้นโค้งการเกิดคราบสกปรกที่ปริมาณคราบสกปรกเป็นศูนย์หรือเวลาเป็นศูนย์) และอัตราการเกิดคราบสกปรกหลังจากช่วงเวลาที่ยาวนาน ( เส้นกำกับเฉียงของเส้นโค้งการเกิดคราบสกปรก)
• การเกิดคราบแบบเข้าใกล้ค่าคงที่ - ในกรณีนี้ อัตราการเกิดคราบจะลดลงตามเวลา จนกระทั่งในที่สุดถึงศูนย์ ณ จุดนี้ ความหนาของคราบจะคงที่ตามเวลา ( เส้นกำกับ แนวนอน ) ซึ่งมักเกิดขึ้นกับคราบที่ค่อนข้างอ่อนหรือยึดเกาะได้ไม่ดีในบริเวณที่มีการไหลเร็ว เส้นกำกับนี้มักถูกตีความว่าเป็นปริมาณคราบที่อัตราการเกิดคราบเท่ากับอัตราการกำจัดคราบ
• การเกิดคราบสกปรกเร็วขึ้น - ในสถานการณ์นี้ อัตราการเกิดคราบสกปรกจะเพิ่มขึ้นตามเวลา อัตราการสะสมของคราบจะเร่งตัวขึ้นตามเวลา (อาจจนกระทั่งไม่สามารถลำเลียงได้อีกต่อไป) ในเชิงกลไก สถานการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อคราบสกปรกทำให้พื้นผิวหยาบขึ้น หรือเมื่อพื้นผิวของคราบมีแนวโน้มทางเคมีที่จะเกิดคราบสกปรกมากกว่าโลหะบริสุทธิ์ที่อยู่ด้านล่าง
• การเกิดคราบแบบลูกตุ้ม - โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณคราบจะเพิ่มขึ้นตามเวลา (โดยมักจะถือว่าอัตราโดยทั่วไปเป็นเส้นตรงหรือลดลง) แต่เมื่อพิจารณาในรายละเอียดเพิ่มเติม ความคืบหน้าของการเกิดคราบจะถูกขัดจังหวะเป็นระยะๆ และมีลักษณะเป็นเส้นโค้งรูปฟันเลื่อย การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเป็นระยะๆ ในปริมาณคราบที่ปรากฏมักจะสอดคล้องกับช่วงเวลาของการปิดระบบ การเริ่มต้นระบบ หรือการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ในการทำงาน การเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ มักถูกตีความว่าเป็นการกำจัดคราบสะสมบางส่วนเป็นระยะๆ (อาจเป็นการแขวนลอยของคราบสะสมอีกครั้งเนื่องจากแรงดันพัลส์ การหลุดลอกเนื่องจากความเครียดจากความร้อน หรือการหลุดลอกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์) มีการตั้งสมมติฐานว่าการปกคลุมด้วยไอน้ำเกิดขึ้นระหว่างคราบสะสมที่หลุดลอกบางส่วนกับพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน อย่างไรก็ตาม อาจมีสาเหตุอื่นๆ ที่เป็นไปได้ เช่น การดักจับอากาศภายในคราบสะสมบนพื้นผิวระหว่างการปิดระบบ หรือความไม่แม่นยำของการวัดอุณหภูมิระหว่างการเปลี่ยนแปลง ("การไหลของอุณหภูมิ") ^{[ 20 ]}

การเกิดคราบสกปรกในระบบสามารถจำลองได้ว่าประกอบด้วยหลายขั้นตอน:

• การเกิดขึ้นหรือการเข้ามาของสายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดคราบสกปรก ("แหล่งกำเนิดคราบสกปรก")
• การเคลื่อนย้ายสิ่งสกปรกไปพร้อมกับกระแสของของเหลวในกระบวนการ (ส่วนใหญ่มักเป็นการเคลื่อนที่แบบพาความ ร้อน )
• การขนส่งสิ่งสกปรกจากของเหลวในกระบวนการส่วนใหญ่ไปยังพื้นผิวที่เกิดสิ่งสกปรก การขนส่งนี้มักเกิดขึ้นโดยการแพร่แบบโมเลกุลหรือการแพร่แบบปั่นป่วน-กระแสน้ำวนแต่ก็อาจเกิดขึ้นได้โดยการเคลื่อนตัวแบบเฉื่อย/การกระทบ การดักจับอนุภาคโดยพื้นผิว (สำหรับอนุภาคที่มีขนาดจำกัด) อิเล็กโทรโฟเรซิ ส เทอร์โมโฟเรซิ สดิฟ ฟิ วซิโอโฟเรซิสการไหลของสเตฟาน (ในการควบแน่นและการระเหย) การตกตะกอนแรงแม็กนัส ( กระทำต่ออนุภาคที่หมุน) ผลกระทบเทอร์โมอิเล็กทริก [ ^{21 ] [ 22 ] และ}กลไกอื่นๆ
• ระยะเวลาเหนี่ยวนำ กล่าวคือ อัตราการเกิดคราบสกปรกเกือบเป็นศูนย์ในช่วงเริ่มต้นของการเกิดคราบสกปรก^{[ 23 ]} (สังเกตได้เฉพาะกลไกการเกิดคราบสกปรกบางอย่างเท่านั้น)
• การตกผลึกของสิ่งสกปรกบนพื้นผิว (หรือการเกาะติดของอนุภาคคอลลอยด์ หรือปฏิกิริยาทางเคมี หรือการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย)
• บางครั้งการเกิดคราบสกปรกอาจนำไปสู่การชะลอตัวของกระบวนการตกผลึก/การยึดเกาะ (หรืออาจเพิ่มขึ้น) อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพพื้นผิวที่เกิดจากคราบสกปรกที่สะสมอยู่
• การละลายของตะกอน (หรือการดึงอนุภาคที่ยึดติดอย่างหลวมๆ กลับเข้าไปใหม่)
• การรวมตัวของตะกอนบนพื้นผิว (เช่น ผ่านกระบวนการ Ostwald ripeningหรือความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันในระดับอุณหภูมิ) หรือการเชื่อมประสานซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ตะกอนสูญเสียความพรุนและแข็งตัวมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
• การหลุดร่อนของ ตะกอน การสึกหรอจากการกัดเซาะหรือการหลุดลอก

การสะสมตัวของตะกอนประกอบด้วยการเคลื่อนย้ายไปยังพื้นผิวและการยึดเกาะในภายหลัง การกำจัดตะกอนเกิดขึ้นได้หลายวิธี ได้แก่ การละลายของตะกอน การพัดพาอนุภาคกลับเข้าไปใหม่ หรือการหลุดร่อน การสึกกร่อน หรือการหลุดลอกของตะกอน ส่วนการเกิดคราบสกปรกเกิดจากการสร้างคราบสกปรก การสะสมตัวของคราบสกปรก การกำจัดตะกอน และการรวมตัวของตะกอน

สำหรับแบบจำลองสมัยใหม่ของการเกิดคราบสกปรกที่เกี่ยวข้องกับการสะสมพร้อมกับการพัดพาคราบสกปรกกลับเข้าไปและการรวมตัวพร้อมกัน^{[ 24 ]}กระบวนการเกิดคราบสกปรกสามารถแสดงได้ด้วยแผนผังต่อไปนี้:

      [อัตราการสะสมของตะกอน] = [อัตราการตกตะกอน] - [อัตราการพัดพาตะกอนที่ไม่แข็งตัวกลับเข้าไปใหม่]

      [อัตราการสะสมของตะกอนที่ไม่แข็งตัว] = [อัตราการตกตะกอน] - [อัตราการพัดพาตะกอนที่ไม่แข็งตัวกลับเข้ามา] - [อัตราการแข็งตัวของตะกอนที่ไม่แข็งตัว]

จากแผนภาพข้างต้น สมการการเกิดคราบสกปรกพื้นฐานสามารถเขียนได้ดังนี้ (สำหรับสภาวะคงที่ที่มีการไหล เมื่อความเข้มข้นคงที่ตลอดเวลา):

${\displaystyle {\begin{cases}{dm/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)\\{dm_{r}/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)-\lambda _{c}\cdot m_{r}(t)\end{cases}}}$

ที่ไหน:

• m คือปริมาณน้ำหนักบรรทุกของตะกอน (ทั้งที่แข็งตัวและไม่แข็งตัว) บนพื้นผิว (กก./ ^ตร.ม. )
• t คือเวลา (วินาที);
• k _dคือค่าคงที่อัตราการตกตะกอน (ม./วินาที)
• ρ คือความหนาแน่นของของเหลว (กก./ ^ลบ.ม. )
• C _m - สัดส่วนมวลของสิ่งสกปรกในของเหลว (กก./กก.)
• λ _rคือค่าคงที่อัตราการดึงกลับ (1/s)
• m _rคือปริมาณมวลของส่วนที่สามารถกำจัดออกได้ (เช่น ส่วนที่ไม่แข็งตัว) ของชั้นดินผิวหน้า (กก./ตร.ม. ⁾ ; และ
• λc คือค่าคงที่อัตราการรวมตัว (1/s ₎

ระบบสมการนี้สามารถอินทิเกรตได้ (โดยกำหนดให้ m = 0 และ m _r = 0 ที่ t = 0) ให้อยู่ในรูปแบบ:

${\displaystyle m(t)={{k_{d}C_{m}\rho } \over {\lambda }}\left(t\lambda _{c}+{{\lambda _{r}} \over {\lambda }}\left(1-e^{-\lambda t}\right)\right)}$

โดยที่ λ = λ _r + λ _c .

แบบจำลองนี้จำลองการเกิดคราบสกปรกแบบเชิงเส้น แบบลดลง หรือแบบเข้าสู่สภาวะคงที่ ขึ้นอยู่กับค่าสัมพัทธ์ของ k, λ _rและ λ _cภาพทางกายภาพพื้นฐานของแบบจำลองนี้คือการสะสมตัวแบบสองชั้น ประกอบด้วยชั้นในที่แข็งตัวและชั้นนอกที่หลวมและไม่แข็งตัว การสะสมตัวแบบสองชั้นดังกล่าวพบเห็นได้บ่อยในทางปฏิบัติ แบบจำลองข้างต้นสามารถลดรูปได้อย่างง่ายดายไปเป็นแบบจำลองเก่าของการสะสมตัวและการพัดพากลับพร้อมกัน^{[ 25 ]} (ซึ่งละเลยการแข็งตัว) เมื่อ λ _c =0 ในกรณีที่ไม่มีการแข็งตัว การเกิดคราบสกปรกแบบเข้าสู่สภาวะคงที่มักจะคาดการณ์ได้จากแบบจำลองเก่านี้ และความคืบหน้าของการเกิดคราบสกปรกสามารถอธิบายได้ดังนี้:

${\displaystyle m(t)=m^{*}\left(1-e^{-\lambda _{r}t}\right)}$

โดยที่ m ^*คือปริมาณมวลสูงสุด (เชิงอะซิมโทติก) ของตะกอนบนพื้นผิว (กก./ ^ตร.ม. )

การเกิดคราบสกปรกเป็นเรื่องที่พบได้ทั่วไปและก่อให้เกิดการสูญเสียการดำเนินงานอย่างมหาศาล ไม่ต่างจากการกัดกร่อน ตัวอย่างเช่น การประมาณการหนึ่งระบุว่าการสูญเสียเนื่องจากการเกิดคราบสกปรกในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในประเทศอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 0.25% ของGDP ^{[ 26 ]}การวิเคราะห์อีกครั้งหนึ่ง^{[ 27 ]} ประมาณการ (สำหรับปี 2006) การสูญเสียทางเศรษฐกิจเนื่องจากการเกิดคราบสกปรกในหม้อไอน้ำและกังหันในโรงไฟฟ้าของจีนอยู่ที่ 4.68 พันล้านดอลลาร์ ซึ่งคิดเป็นประมาณ 0.169% ของ GDP ของประเทศ

การสูญเสียในเบื้องต้นเกิดจากการถ่ายเทความร้อนที่บกพร่อง ความเสียหาย จากการกัดกร่อน (โดยเฉพาะการกัดกร่อนใต้คราบและรอยแตก ) การลดลงของความดันที่เพิ่มขึ้น การอุดตันของการไหล การกระจายการไหลใหม่ภายในส่วนประกอบ ความไม่เสถียรของการไหล การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น (ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาอื่นๆ เช่นความล้า^{[ 28 ]} ) การเสียดสี ความล้มเหลวก่อนกำหนดขององค์ประกอบความร้อนไฟฟ้า และปัญหาอื่นๆ อีกมากมายที่มักไม่คาดคิด นอกจากนี้ ควรพิจารณาต้นทุน ด้านสิ่งแวดล้อม ด้วย (แต่โดยทั่วไปแล้วมักไม่พิจารณา) ต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นจากการใช้สารฆ่าเชื้อเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคราบจุลินทรีย์ จาก การป้อน เชื้อเพลิง ที่เพิ่มขึ้น เพื่อชดเชยผลผลิตที่ลดลงเนื่องจากการเกิดคราบ และการใช้น้ำหล่อเย็นที่เพิ่มขึ้นในระบบหล่อเย็นแบบไหลผ่านครั้งเดียว

ตัวอย่างเช่น การเกิดคราบสกปรก "ตามปกติ" ใน โรง ไฟฟ้าพลังงาน ความร้อนแบบดั้งเดิมขนาด 500 เมกะวัตต์ (กำลังไฟฟ้าสุทธิ) ส่งผลให้กำลังการผลิตของกังหันไอน้ำ ลดลง 5 เมกะวัตต์ขึ้นไป ในโรง ไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาด 1,300 เมกะวัตต์การสูญเสียโดยทั่วไปอาจสูงถึง 20 เมกะวัตต์ขึ้นไป (สูงถึง 100% หากโรงไฟฟ้าต้องปิดตัวลงเนื่องจากการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนที่เกิดจากคราบสกปรก) ใน โรงงาน ผลิตน้ำจืด จากน้ำทะเล คราบสกปรกอาจลดอัตราส่วนผลผลิตที่ได้ลงเป็นตัวเลขสองหลัก (อัตราส่วนผลผลิตที่ได้คือค่าเทียบเท่าที่แสดงมวลของน้ำกลั่นที่ผลิตได้เทียบกับไอน้ำที่ใช้ในกระบวนการ) การใช้ไฟฟ้าเพิ่มเติมใน เครื่องทำความเย็นที่ทำงานด้วย คอมเพรสเซอร์ก็อาจอยู่ในระดับสองหลักเช่นกัน นอกจากค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานแล้วต้นทุนการลงทุน ก็ เพิ่มขึ้นด้วย เนื่องจากต้องออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนเนื่องจากคราบสกปรก นอกเหนือจากความสูญเสียด้านผลผลิตที่ระบุไว้ข้างต้นแล้ว ยังต้องเพิ่มต้นทุนของเวลาหยุดทำงานที่จำเป็นในการตรวจสอบ ทำความสะอาด และซ่อมแซมชิ้นส่วนต่างๆ (หลายล้านดอลลาร์ต่อวันของการหยุดเดินเครื่องในโรงไฟฟ้าทั่วไป ซึ่งคิดเป็นรายได้ที่สูญเสียไป) และต้นทุนในการดำเนินการบำรุงรักษาดังกล่าวด้วย สุดท้ายแล้ว การสะสมของสิ่งสกปรกมักเป็นสาเหตุหลักของปัญหาการเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง ซึ่งอาจจำกัดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนหรือโรงไฟฟ้าทั้งหมดได้

วิธีการควบคุมการเกิดคราบสกปรกที่สำคัญที่สุดและเป็นที่นิยมใช้กันโดยทั่วไป คือการป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกเข้าไปในระบบน้ำหล่อเย็น ในโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำและโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีน้ำ การเกิดคราบสกปรกขนาดใหญ่จะถูกป้องกันโดยการกรอง เบื้องต้น และตัวกรองเศษสิ่งสกปรก ในน้ำหล่อเย็น บางโรงงานใช้โปรแกรมกำจัดสิ่งแปลกปลอม (เพื่อขจัดความเป็นไปได้ที่วัสดุที่ไม่พึงประสงค์จะเข้าไป เช่น การลืมเครื่องมือระหว่างการบำรุงรักษา) บางครั้งมีการใช้การตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงเพื่อตรวจสอบการเสียดสีจากชิ้นส่วนที่หลุดออกมา ในกรณีของการเกิดคราบสกปรกขนาดเล็ก การทำให้น้ำบริสุทธิ์ทำได้ด้วยวิธีการบำบัดน้ำอย่างละเอียด การกรองระดับไมโคร การใช้ เทคโนโลยี เมมเบรน ( รีเวิร์สออสโมซิส อิเล็กโทรไดออนไนเซชัน ) หรือเรซินแลกเปลี่ยนไอออน โดยทั่วไป การเกิดผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อนในระบบท่อน้ำจะลดลงได้โดยการควบคุมค่า pHของของเหลวในกระบวนการ (โดยทั่วไปคือการทำให้เป็นด่างด้วยแอมโมเนีย มอ ร์โฟลีนเอทานอลอะมีนหรือโซเดียมฟอสเฟต ) การควบคุมปริมาณออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (เช่น โดยการเติมไฮดราซีน ) หรือการเติมสารยับยั้งการกัดกร่อน

สำหรับระบบน้ำที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำสารฆ่าเชื้อ ที่ใช้ สามารถแบ่งออกได้ดังนี้: สารประกอบคลอรีนและโบรไมด์อนิ นทรีย์, สาร แยก คลอรีนและโบรไมด์ , สารแยก โอโซนและออกซิเจน , สารฆ่าเชื้อ ที่ไม่ สามารถออกซิไดซ์ได้ หนึ่งในสารฆ่าเชื้อที่ไม่สามารถออกซิไดซ์ได้ที่สำคัญที่สุดคือส่วนผสมของคลอโรเมทิลไอโซไทอะโซลิโนนและเมทิลไอโซไทอะโซลิโนน นอกจากนี้ยังมีการใช้ไดโบรมไนทริโลโพรพิโอนาไมด์และสารประกอบควอเทอร์นารีแอมโมเนียม สำหรับตัวเรือใต้น้ำจะใช้ สีทาใต้ ท้องเรือ

สารยับยั้งการเกิดคราบสกปรกทางเคมี^{[ 29 ]}สามารถลดการเกิดคราบสกปรกในระบบต่างๆ ได้ โดยส่วนใหญ่จะรบกวนขั้นตอนการตกผลึก การยึดเกาะ หรือการรวมตัวของกระบวนการเกิดคราบสกปรก ตัวอย่างสำหรับระบบน้ำ ได้แก่สารคีเลต (เช่นEDTA ) เอมีนอะลิฟาติกสายยาวหรือโพลีเอมีน (เช่น ออก ตาเดซิลเอมีน เฮลามินและเอมีน "สร้างฟิล์ม" อื่นๆ) กรดฟอสโฟนิกอินทรีย์ (เช่นกรดเอทิโดรนิก ) หรือโพลีอิเล็กโทรไลต์ (เช่นกรดโพลีอะคริลิก^[ 30 ^{] กรด}โพลีเมทาคริลิก ซึ่งโดยทั่วไปมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำกว่า 10,000) สำหรับหม้อไอน้ำแบบใช้ไฟ สารเติมแต่งอะลูมิเนียมหรือแมกนีเซียมสามารถลดจุดหลอมเหลวของเถ้าและส่งเสริมการสร้างตะกอนซึ่งกำจัดได้ง่ายกว่า ดูเพิ่มเติมที่สารเคมีในกระบวนการ

การบำบัดน้ำด้วยแม่เหล็กเป็นประเด็นถกเถียงเกี่ยวกับประสิทธิภาพในการควบคุมการเกิดคราบสกปรกมาตั้งแต่ทศวรรษ 1950 ความคิดเห็นที่แพร่หลายคือ "มันไม่ได้ผล" ^{[ 31 ]}อย่างไรก็ตาม การศึกษาบางชิ้นชี้ให้เห็นว่าอาจมีประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขบางประการในการลดการสะสมของคราบแคลเซียมคาร์บอเนต^{[ 32 ]}

ในระดับการออกแบบชิ้นส่วน การเกิดคราบสกปรกมักจะ (แต่ไม่เสมอไป) ลดลงได้โดยการรักษาระดับความเร็วของของเหลวให้ค่อนข้างสูง (เช่น 2 เมตร/วินาที) และสม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นส่วน จำเป็นต้องกำจัดบริเวณที่ของเหลวหยุดนิ่ง โดยปกติแล้วชิ้นส่วนจะถูกออกแบบให้มีขนาดใหญ่เกินไปเพื่อรองรับการเกิดคราบสกปรกที่คาดว่าจะเกิดขึ้นระหว่างการทำความสะอาด อย่างไรก็ตาม การออกแบบที่ใหญ่เกินไปอย่างมากอาจเป็นข้อผิดพลาดในการออกแบบ เพราะอาจนำไปสู่การเกิดคราบสกปรกเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเร็วที่ลดลง การปล่อยแรงดันเป็นระยะหรือการไหลย้อนกลับอาจมีประสิทธิภาพหากมีการรวมความสามารถนี้ไว้อย่างรอบคอบในขั้นตอนการออกแบบ ความสามารถ ในการระบายน้ำจะถูกรวมไว้ในเครื่องกำเนิดไอน้ำหรือเครื่องระเหยเสมอเพื่อควบคุมการสะสมของสิ่งสกปรกที่ไม่ระเหยซึ่งเป็นสาเหตุหรือทำให้การเกิดคราบสกปรกแย่ลง พื้นผิวที่เกิดคราบสกปรกน้อย (เช่น พื้นผิวเรียบมากฝังด้วยไอออนหรือมีพลังงานพื้นผิวต่ำ เช่นเทฟลอน ) เป็นทางเลือกสำหรับบางการใช้งาน โดยทั่วไปแล้วชิ้นส่วนสมัยใหม่จะต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้ตรวจสอบภายในและทำความสะอาดเป็นระยะได้ง่าย ระบบตรวจสอบการเกิดคราบสกปรกแบบออนไลน์ได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งานบางประเภท เพื่อให้สามารถเป่าลมหรือทำความสะอาดได้ก่อนที่จะต้องปิดระบบโดยไม่คาดคิด หรือเกิดความเสียหายขึ้น

กระบวนการทำความสะอาดทางเคมีหรือทางกลเพื่อกำจัดคราบสกปรกและตะกรันนั้น แนะนำให้ใช้เมื่อคราบสกปรกสะสมมากจนส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบ หรือเริ่มก่อให้เกิดการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ (เช่น การกัดกร่อน) กระบวนการเหล่านี้ประกอบด้วย การดองด้วยกรดและสารเชิงซ้อนการทำความสะอาดด้วยน้ำแรงดันสูง ("การฉีดน้ำแรงดันสูง") การหมุนเวียน ("การพ่น") ด้วยลูกบอลโลหะ ฟองน้ำ หรือวัสดุอื่นๆ หรือการใช้เครื่องทำความสะอาดท่อแบบ "กระสุน" ที่ทำงานแบบออฟไลน์ ในขณะที่การทำความสะอาดทางเคมีก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมจากการจัดการ การใช้งาน การจัดเก็บ และการกำจัดสารเคมี การทำความสะอาดทางกลโดยใช้ลูกบอลทำความสะอาดแบบหมุนเวียนหรือการทำความสะอาดแบบ "กระสุน" ที่ทำงานแบบออฟไลน์อาจเป็น ทางเลือก ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าในการใช้งานถ่ายเทความร้อนบางประเภท การลดผลกระทบทางกลด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดพื้นผิวแบบไดนามิก ก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง นอกจากนี้ยัง มีวิธีการทำความสะอาด ด้วยคลื่นอัลตราโซนิคหรือ การ ขัดถู สำหรับงานเฉพาะด้านอีกมากมาย

• การวิจัยเกี่ยวกับการเกิดคราบน้ำมันดิบ
• [1]