Gorący, korozyjny strumień procesowy ma temperaturę 150 stopni. PTFE, klasyczny fluoropolimer stosowany w wymiennikach ciepła, jest całkowicie nieodpowiedni w tej temperaturze; zmięknie i zawiedzie. PFA, jego bliski krewny chemiczny, jest całkowicie wygodny. Obydwa materiały są doskonałymi izolatorami, a ich naturalna zdolność przewodzenia ciepła jest prawie identyczna. Zwycięstwo termiczne wymiennika PFA w temperaturze 150 stopni nie wynika z tego, że jest on lepszym przewodnikiem, ale po prostu dlatego, że w tej temperaturze jest nadal solidną, mocną rurą, umożliwiając wymianę ciepła, której PTFE nawet nie jest w stanie podjąć. ZrozumienieWspółczynnik przenikania ciepła PFA vs PTFE 150 stopniporównanie wymaga spojrzenia poza współczynnik przewodności cieplnej i skupienia się na maksymalnej temperaturze użytkowania.
Przewodność cieplna: prawie identyczny izolator
Przewodność cieplna zarówno PTFE (politetrafluoroetylenu), jak i PFA (perfluoroalkoksyalkanu) mieści się w zakresie 0,20–0,25 W/m·K w typowych temperaturach procesu. Wartości te są prawie nie do odróżnienia dla celów inżynieryjnych. Przy tej samej grubości ścianki (np. 1 mm w przypadku rury o małej średnicy lub 2 mm w przypadku większego wymiennika płaszczowo-rurowego) przewodzący opór cieplny rury wykonanej z dowolnego materiału będzie zasadniczo taki sam. Dlatego też ogólny współczynnik przenikania ciepła (wartość U) wymiennika PFA jest podobny do współczynnika wymiennika PTFE dla równoważnej konstrukcji,-zakładając, że oba działają w odpowiednich granicach temperatur.
Kluczową, przytłaczającą zaletą PFA jest jego wyższa temperatura ciągłej pracy wynosząca 260 stopni w porównaniu z praktycznym limitem PTFE dla grzałki zanurzeniowej lub wymiennika ciepła, który wynosi około 110–120 stopni w środowisku wodnym (i nieco wyższy w niektórych warunkach suchych lub nieutleniających). Dzięki temu wymiennik PFA może przetwarzać płyny w temperaturze 150 stopni, wykorzystując znacznie większą logarytmiczną średnią różnicę temperatur (LMTD) dla tego samego obciążenia, co skutkuje mniejszym i bardziej opłacalnym wymiennikiem ciepła. Zwycięstwo nie polega na współczynniku przewodności, ale na zdolności materiału do stawienia czoła walce.
PFA wygrywa bitwę termiczną nie dzięki temu, że jest szybszym biegaczem, ale dzięki temu, że w ogóle jest dopuszczony na tor. Przy 150 stopniach PTFE nie jest konkurentem,-już opuścił pole bitwy.
Dlaczego PTFE nie może być stosowany w temperaturze 150 stopni w serwisie wymiennika
Zmiękczanie mechaniczne i pełzanie
PTFE zaczyna mięknąć i tracić wytrzymałość mechaniczną w temperaturze powyżej około 110–120 stopni w ciągłym zanurzeniu. Chociaż PTFE ma teoretyczną temperaturę topnienia 327 stopni, ulega przemianie fazowej krystalicznej w około 19 stopni i kolejnej w około 30 stopni, a powyżej 100 stopni obszary amorficzne stają się coraz bardziej mobilne. W wymienniku ciepła, gdzie rury są poddawane działaniu ciśnienia wewnętrznego, ciśnienia zewnętrznego i naprężeń związanych z rozszerzalnością cieplną, rury PTFE w temperaturze 150 stopni będą pełzać, odkształcać się i ostatecznie zapadać lub pękać. Materiał wykazuje również wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (około 10 razy większy niż stal), co prowadzi do nadmiernego zwiotczenia rur i zmęczenia mechanicznego w podwyższonych temperaturach.
Praktyczne doświadczenie
Doświadczenie terenowe i wytyczne producenta określają bezpieczny limit ciągłej pracy dla rurek wymienników ciepła PTFE na 110 stopni dla większości korozyjnych mediów wodnych. W przypadku krótkich wycieczek do 120 stopni niektóre projekty mogą być dopuszczalne, ale 150 stopni zdecydowanie wykracza poza bezpieczną granicę. Natomiast PFA zachowuje integralność mechaniczną i odporność chemiczną do 260 stopni, bez przejść fazowych powodujących niestabilność wymiarową.
Całkowity współczynnik przenikania ciepła (wartość U) przy 150 stopniach
Podobna wartość U przy równoważnym projekcie
W hipotetycznym scenariuszu, w którym PTFE mógłby przetrwać w temperaturze 150 stopni, wartość U wymiennika PFA i wymiennika PTFE o identycznej geometrii (średnica rury, grubość ścianki, układ rurki i prędkości płynu) byłaby prawie taka sama. Opór przewodzący ścianki rury jest tylko jednym ze składników całkowitego oporu cieplnego. Pozostałe elementy-konwekcja po stronie rury, konwekcja po stronie płaszcza i opory zanieczyszczeń-są identyczne dla tych samych właściwości płynu i prędkości. Ponieważ przewodność cieplna PTFE i PFA jest praktycznie identyczna, wartość U różni się o mniej niż 5%.
Praktyczna zaleta: Większy LMTD
Ponieważ PTFE nie może pracować w temperaturze 150 stopni, praktyczne porównanie nie dotyczy dwóch materiałów o tej samej temperaturze. Zamiast tego można zastosować wymiennik PFA do ochłodzenia strumienia o temperaturze 150 stopni, na przykład wodą chłodzącą o temperaturze 30 stopni, uzyskując LMTD wynoszącą około 80–100 stopni. Wymiennik PTFE, ograniczony do temperatury wlotowej strony gorącej wynoszącej 110 stopni, miałby LMTD wynoszącą jedynie 40–50 stopni dla tej samej wody chłodzącej. Aby przenieść to samo obciążenie cieplne, wymiennik PTFE wymagałby mniej więcej dwukrotnie większej powierzchni-o ile w ogóle mógłby działać. W rzeczywistości opcja PTFE jest po prostu niedostępna dla tak wysokiej temperatury.
Praktyczne wskazówki dotyczące selekcji
| Parametr | Wymiennik PTFE | Wymiennik PFA |
|---|---|---|
| Maksymalna ciągła temperatura pracy (woda) | 110–120 stopni | 260 stopni |
| Przewodność cieplna w temperaturze 150 stopni | Nie dotyczy (brak materiału) | ~0.22 W/m·K |
| Wartość U (przy tej samej geometrii i tych samych temperaturach płynu w zakresie PTFE) | Linia bazowa | Porównywalne (±5%) |
| Wartość U (przy temperaturze 150 stopni po stronie gorącej) | Niemożliwe | Określone przez LMTD i projekt |
| Koszt względny (na jednostkę powierzchni) | Niżej | Wyższa (15–30% składki) |
| Przydatność do zastosowań korozyjnych w wysokiej temperaturze | NIE | Tak |
Wniosek: Przeżycie jako czynnik decydujący
Porównanie wymiennika PFA i PTFE w wysokich temperaturach jest prostą kwestią przetrwania, a nie surowej wydajności cieplnej. W temperaturze 150 stopni PTFE mięknie, pełza i zanika, podczas gdy PFA pozostaje mocny, stabilny i chemicznie obojętny. Całkowite współczynniki przenikania ciepła obu materiałów są prawie identyczne przy tej samej grubości ścianki, ale fakt ten jest nieistotny, ponieważ PTFE nie może być stosowany w tej temperaturze. PFA jest mistrzem termicznym po prostu dlatego, że może wytrzymać ciepło. Najlepszym materiałem jest ten, który nadal utrzymuje temperaturę procesu, a dla strumienia korozyjnego o temperaturze 150 stopni tym materiałem jest PFA.
