Problem sufitu temperaturowego
Do chemicznego mielenia aluminiowych i tytanowych elementów lotniczych wykorzystuje się alkaliczne środki trawiące zawierające wodorotlenek sodu, trietanoloaminę i rozpuszczone metale. Kąpiele działają w temperaturze 80-110 stopni, w zależności od wymagań stopu i szybkości trawienia. Wymiennik ciepła musi zapewniać stałą moc cieplną w roztworze, który chemicznie atakuje większość materiałów.
PVDF wydaje się odpowiedni przy pierwszej ocenie. Jest odporny na silne zasady w umiarkowanych temperaturach. Można go-przetwarzać w stanie stopionym, co pozwala na złożone projekty kolektorów. Kosztuje mniej niż PTFE. Wiele młynów chemicznych z powodzeniem stosuje wymienniki ciepła PVDF w temperaturach kąpieli poniżej 80 stopni.
Ograniczenie pojawia się, gdy temperatura kąpieli przekracza 90 stopni. Właściwości mechaniczne PVDF szybko pogarszają się powyżej tego progu. Polimer mięknie, pełza pod obciążeniem i staje się podatny na pękanie naprężeniowe w obecności związków aminowych w trietanoloaminie. PTFE, dzięki swojej wyższej odporności temperaturowej i doskonałej odporności chemicznej, pozostaje w pełni funkcjonalny w całym zakresie roboczym.
Ograniczenie temperatury PVDF
PVDF ma ciągłą temperaturę pracy wynoszącą 150 stopni w powietrzu. Ocena ta sugeruje duży margines dla kąpieli chemicznej o temperaturze 110 stopni. Ale ocena dotyczy materiału nieobciążonego w łagodnych środowiskach. Wewnątrz wymiennika ciepła rury PVDF podlegają naprężeniom obwodowym powodowanym wewnętrznym ciśnieniem pary, naprężeniom zginającym wynikającym z-ciężaru własnego pomiędzy podporami oraz narażeniu chemicznemu od alkalicznego roztworu trietanoloaminy. Połączenie to znacznie zmniejsza praktyczny pułap operacyjny.
Przy 90-100 stopniach moduł sprężystości PVDF spada do około 20% jego wartości w temperaturze pokojowej. Rury zwisają pomiędzy podporami. Pełzanie pod ciśnieniem pary przyspiesza. Materiał mięknie do tego stopnia, że połączenia zaciskowe tracą przyczepność, kolektory odkształcają się, a rury mogą wysuwać się ze złączek.
W temperaturze 110 stopni, której wymaga wiele kąpieli do mielenia chemicznego w celu uzyskania szybkiego trawienia stopów tytanu, PVDF zbliża się do praktycznej granicy mechanicznej. Każde zakłócenie procesu, które choćby na krótko podnosi temperaturę kąpieli-awaria zaworu sterującego parą, awaria pompy cyrkulacyjnej-może spowodować nieodwracalne odkształcenie lub awarię elementów PVDF.
Tabela 1: Wydajność PTFE w porównaniu z PVDF w alkalicznych kąpielach do mielenia chemicznego z trietanoloaminą
| Właściwość wydajności | PVDF | PTFE |
|---|---|---|
| Maksymalna ciągła temperatura pracy (bez obciążenia) | 150 stopni | 260 stopni |
| Praktyczny limit działania w kąpieli żrącej | 90-100 stopni | 200 stopni + |
| Moduł sprężystości przy 100 stopniach (% otoczenia) | ~20% | ~40% |
| Odporność na pełzanie w temperaturze 100 stopni pod obciążeniem | Słaby | Dobry |
| Pękanie naprężeniowe w trietanoloaminie | Wrażliwe powyżej 80 stopni | Odporny |
| Odporność chemiczna na alkalia | Dobry do pH 13 | Doskonały do pH 14 |
| Przewodność cieplna (W/m·K) | 0.17-0.19 | 0.25 |
| Koszt względny (rura) | 0.6-0.8× | 1.0× |
| Meltowany-przetwarzany (spawalny) | Tak | NIE |
Efekt trietanoloaminy
Trietanoloamina to amina organiczna stosowana w roztworach do mielenia chemicznego w celu kontrolowania szybkości trawienia i wykończenia powierzchni. Działa jako środek kompleksujący dla rozpuszczonego aluminium, zapobiegając ponownemu wytrącaniu się na powierzchni przedmiotu obrabianego. Działa również jako środek do pękania naprężeniowego w środowisku PVDF.
Pękanie naprężeniowe w środowisku występuje, gdy naprężony polimer jest wystawiony na działanie określonego środka chemicznego, który przyspiesza powstawanie pęknięć. Substancja chemiczna nie rozpuszcza ani nie powoduje korozji polimeru w masie.-PVDF zanurzony w niesprężonym roztworze trietanoloaminy może nie wykazywać widocznych zmian przez lata. Kiedy jednak polimer znajduje się pod naprężeniem rozciągającym wywołanym ciśnieniem wewnętrznym lub zginaniem, a cząsteczki trietanoloaminy wnikają w mikro-pustki na powierzchni, inicjuje się i rozprzestrzenia pękanie.
W temperaturach kąpieli powyżej 80 stopni połączenie zmniejszonej wytrzymałości PVDF i zwiększonej aktywności chemicznej trietanoloaminy stwarza warunki, w których szybko postępuje pękanie naprężeniowe. Pęknięcia inicjują się w punktach koncentracji naprężeń: zaciskach wsporczych, zagięciach rur i połączeniach kolektorów. Po zainicjowaniu pęknięcia rozprzestrzeniają się przez ściankę rury, prowadząc do wycieku pary lub pęknięcia rury.
PTFE jest odporny na pękanie pod wpływem naprężeń środowiskowych pod wpływem trietanoloaminy. Wiązanie węgiel-fluor jest zbyt silne, aby amina mogła je rozerwać. Wyższa odporność polimeru na pełzanie w temperaturze utrzymuje integralność strukturalną pod wpływem naprężeń.
Uwzględnienie wymiany ciepła
Przewodność cieplna PVDF wynosząca 0,17-0,19 W/m·K jest nieco niższa niż PTFE wynosząca 0,25 W/m·K. PTFE przenosi ciepło przez ściankę rury o około 30-40% wydajniej. Przy takim samym obciążeniu cieplnym i wymiarach rurki cewka PTFE wymaga mniejszej powierzchni niż jej odpowiednik PVDF.
Ta skromna zaleta termiczna w połączeniu z wyższą granicą temperatury roboczej PTFE pozwala na bardziej kompaktowe konstrukcje wymienników ciepła do chemicznych kąpieli mielących. Wyższe dopuszczalne ciśnienie pary przy wyższej temperaturze ścianki rury jeszcze bardziej zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Streszczenie
PTFE przewyższa PVDF w-wysokotemperaturowych kąpielach do mielenia chemicznego zawierających żrący i trietanoloaminę, ponieważ PTFE zachowuje integralność mechaniczną i odporność chemiczną w temperaturach kąpieli do 200 stopni, czyli znacznie powyżej praktycznego limitu PVDF wynoszącego 90-100 stopni. Trietanoloamina przyspiesza pękanie pod wpływem naprężeń środowiskowych w naprężonym PVDF w podwyższonych temperaturach, co jest mechanizmem awarii, na który PTFE jest odporny.
Skromna początkowa przewaga PVDF pod względem kosztów jest niwelowana przez koszty wymiany, gdy jednostki PVDF przedwcześnie ulegają awarii w wysokich temperaturach roboczych. PTFE zapewnia niezawodną, długoterminową-pracę bez ograniczeń temperaturowych i narażenia chemicznego, które ograniczają PVDF do zastosowań związanych z mieleniem chemicznym w-niskich temperaturach.
Analiza inżynierska dotycząca wyboru wymiennika ciepła PTFE lub PVDF w określonych zastosowaniach mielenia chemicznego jest dostępna po przedstawieniu składu chemicznego kąpieli, temperatury roboczej, ciśnienia pary i wcześniejszej historii serwisowania wymiennika ciepła.
