Cum se compară coeficientul general de transfer de căldură al unui schimbător PFA cu unul din PTFE la 150 de grade?

Flux de proces fierbinte, coroziv la 150 de grade. PTFE este fluoropolimerul tipic pentru schimbătoarele de căldură, dar este total nepotrivit la această temperatură, s-ar slăbi și s-ar defecta. Vărul său chimic apropiat PFA este perfect plăcut. Ambele materiale sunt izolatoare foarte bune, iar capacitatea lor brută, fundamentală, de a conduce căldura este aproape similară. Avantajul termic al unui schimbător de PFA la 150 de grade nu se datorează faptului că este un conductor superior, ci pur și simplu pentru că la acea temperatură este încă un tub solid, puternic, capabil să îndeplinească o sarcină de schimb de căldură la care PTFE nici nu se poate gândi. Pentru a înțelege comparația dintre coeficientul de transfer de căldură PFA și PTFE la 150 de grade, trebuie să priviți dincolo de numărul de conductivitate termică și să vă concentrați pe temperatura maximă de serviciu.

Conductivitate termică: un material izolant aproape ideal
Conductivitatea termică atât a PTFE (politetrafluoretilenă) cât și a PFA (perfluoroalcoxi alcan) este în intervalul 0,20 până la 0,25 W/m·K la temperaturi tipice de procesare. În scopuri de inginerie, aceste numere sunt practic imposibil de distins. Rezistența termică conductivă a unui tub compus din oricare dintre materiale va fi practic aceeași pentru aceeași grosime (de exemplu, 1 mm pentru un tub cu diametru mic sau 2 mm pentru un schimbător de carcasă și tub mai mare). Prin urmare, coeficientul global de transfer de căldură (valoarea U-) al unui schimbător de PFA este similar cu cel al unui schimbător de PTFE cu același design, atâta timp cât ambele sunt utilizate în limitele lor de temperatură.

Avantajul principal major al PFA este temperatura de serviciu continuă mai ridicată, de 260 de grade, în comparație cu limita practică a PTFE pentru încălzirea cu imersie sau schimbătorul de căldură, care este de aproximativ 110-120 de grade în medii apoase (și puțin mai mare în unele condiții uscate sau neoxidante). Acest lucru permite unui schimbător PFA să funcționeze la 150 de grade cu o diferență de temperatură medie logaritmică (LMTD) mult mai mare pentru aceeași lucrare, rezultând un schimbător de căldură mai mic și mai economic. Câștigul nu este în cantitatea de conductivitate, ci în capacitatea materialului de a se prezenta la luptă.

PFA câștigă războiul de căldură, nu pentru că merge mai repede, ci pentru că are voie pe pistă. La 150 de grade PTFE nu este niciun concurent - a părăsit deja terenul.

De ce PTFE nu este potrivit pentru serviciul schimbătorului de căldură la 150 de grade
Înmuiere mecanică și fluaj
În timpul utilizării în imersie continuă, PTFE începe să slăbească și să-și piardă rezistența mecanică la aproximativ 110-120 de grade. PTFE are un punct de topire teoretic de 327 de grade, dar suferă o schimbare de fază cristalină la aproximativ 19 grade și din nou la aproximativ 30 de grade, zonele amorfe începând să câștige mobilitate la temperaturi care depășesc 100 de grade. Tuburile PTFE la 150 de grade se vor strecura, se vor deforma și în cele din urmă se vor prăbuși sau rupe în schimbătoarele de căldură în care tuburile sunt supuse presiunii interne, presiunii externe și forțelor de dilatare termică. Materialul are, de asemenea, un coeficient ridicat de dilatare termică (de aproximativ 10 ori mai mare decât cel al oțelului) care provoacă căderea excesivă a tuburilor și oboseala mecanică la temperaturi ridicate.

Experiență practică-
Tuburile schimbătoare de căldură din PTFE sunt, în general, specificate de producători și de experiența de teren pentru a avea o limită de funcționare continuă sigură de 110 grade pentru majoritatea serviciilor apoase corozive. Unele modele pot fi OK pentru călătorii scurte de până la 120 de grade, dar 150 de grade este cu mult peste intervalul de siguranță. În schimb, PFA își păstrează integritatea mecanică și rezistența chimică până la 260 de grade, fără schimbările de fază care provoacă instabilitate dimensională.

Coeficientul general de transfer de căldură (valoare U-) la 150 de grade
Design echivalent Valoare U-similară
Într-un caz imaginar în care PTFE ar putea fi stabil la 150 de grade, valoarea U-a unui schimbător de PFA și a unui schimbător de PTFE cu aceiași parametri geometrici (diametrul tubului, grosimea peretelui, structura tubului și vitezele fluidului) ar fi destul de asemănătoare. Rezistența electrică a peretelui tubului este doar o parte din rezistența termică totală. Alte rezistențe (convecția și încrustarea laturii-tubului și a carcasei-laterale) sunt aceleași pentru aceleași caracteristici și viteze ale fluidului. Conductivitățile termice ale PTFE și PFA sunt aproape comparabile, astfel încât valoarea U-are o diferență de cel mult 5 %.

Avantaj practic: LMTD mai mare
O comparație practică nu este două materiale la aceeași temperatură, deoarece PTFE nu poate fi operat la 150 de grade. În schimb, un schimbător PFA poate fi folosit pentru a răci un flux de 150 de grade cu, de exemplu, apă de răcire de 30 de grade, ceea ce dă un LMTD de aproximativ 80-100 de grade. Pentru aceeași apă de răcire, un schimbător de PTFE, limitat la o temperatură de intrare pe partea fierbinte de 110 oC, ar avea un LMTD de doar 40-50 oC. Schimbătorul de PTFE ar avea nevoie de aproape dublul suprafeței pentru a face aceeași sarcină de transmisie a căldurii – dacă ar putea funcționa. Dar opțiunea PTFE nu există de fapt pentru o temperatură atât de ridicată.

Sfaturi practice pentru alegere
Parametru Schimbător PTFE Schimbător PFA
Max. temperatura de serviciu continuu (apos) 110-120 grade 260 grade
Conductivitate termică la 150 de grade Nu se aplică (materialul se defectează) ~0,22 W/mK Valoare U-(la geometrie identică și la aceleași temperaturi ale fluidului în intervalul PTFE) Linia de referință Comparabilă (±5%)
Valoarea U (partea fierbinte 150 de grade) Design și LMTD Nu sunt fezabile
Cost relativ (pe unitate de suprafață) Mai mic Mai mare (15-30 premium)
Adecvare pentru servicii corozive la temperaturi ridicateDa Nu
Concluzie: este o chestiune de supraviețuire
Avantajul unui PFA față de un schimbător de PTFE la temperaturi ridicate nu este performanța termică brută, ci o chestiune de supraviețuire. PTFE se înmoaie, se târăște și eșuează la 150 de grade, în timp ce PFA este dur, stabil și inert din punct de vedere chimic. Coeficienții totali de transfer de căldură ai celor două materiale sunt practic aceiași la aceeași grosime a peretelui, dar asta nu contează, deoarece PTFE nu poate fi utilizat la acea temperatură. PFA este campionul termic, poate suporta căldura. Materialul optim este cel care încă stă la temperatura procesului și pentru un flux coroziv de 150 de grade PFA este acel material.