Un flux de proces fierbinte, corosiv este la 150 de grade. PTFE, fluoropolimerul clasic pentru schimbătoare de căldură, este complet nepotrivit la această temperatură; s-ar înmuia și s-ar eșua. PFA, ruda sa chimică apropiată, este perfect confortabil. Ambele materiale sunt izolatoare superbe, iar capacitatea lor brută, intrinsecă, de a conduce căldura este aproape identică. Victoria termică a unui schimbător de PFA la 150 de grade nu este pentru că este un conductor mai bun, ci pur și simplu pentru că este încă un tub solid și puternic la acea temperatură, permițând o sarcină de schimb de căldură pe care PTFE nici măcar nu poate încerca. ÎnțelegereaPFA vs PTFE coeficient de transfer termic 150 de gradecomparația necesită să privim dincolo de numărul de conductivitate termică și să te concentrezi pe temperatura maximă de serviciu.
Conductivitate termică: un izolator aproape identic
Conductivitatea termică atât a PTFE (politetrafluoretilenă) cât și a PFA (perfluoroalcoxi alcan) este în intervalul 0,20–0,25 W/m·K la temperaturi tipice de proces. Aceste valori sunt aproape imposibil de distins în scopuri de inginerie. La aceeași grosime a peretelui (de exemplu, 1 mm pentru un tub cu diametru mic sau 2 mm pentru un schimbător de carcasă și tub mai mare), rezistența termică conductivă a unui tub realizat din oricare dintre materiale va fi în esență aceeași. Prin urmare, coeficientul global de transfer de căldură (valoarea U) al unui schimbător de PFA este similar cu cel al unui schimbător de PTFE pentru un design echivalent-presupunând că ambele sunt operate în limitele lor de temperatură respective.
Avantajul cheie, copleșitor 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 proceseze fluide la 150 de grade, folosind o diferență de temperatură medie logaritmică (LMTD) mult mai mare pentru aceeași sarcină, ceea ce are ca rezultat un schimbător de căldură mai mic și mai rentabil. Victoria nu este în numărul de conductivitate, ci în capacitatea materialului de a se prezenta la luptă.
PFA câștigă bătălia termică nu fiind un alergător mai rapid, ci fiind permis deloc pe pistă. La 150 de grade , PTFE nu este un concurent-ci a părăsit deja terenul.
De ce PTFE nu poate fi folosit la 150 de grade în serviciul de schimbător
Înmuiere mecanică și fluaj
PTFE începe să se înmoaie și să piardă rezistența mecanică peste aproximativ 110-120 de grade în timpul serviciului de imersie continuă. În timp ce PTFE are un punct de topire teoretic de 327 de grade, acesta suferă o tranziție de fază cristalină la aproximativ 19 grade și o alta la aproximativ 30 de grade, iar peste 100 de grade regiunile amorfe devin din ce în ce mai mobile. Într-un schimbător de căldură, în care tuburile sunt supuse presiunii interne, presiunii externe și solicitărilor de dilatare termică, tuburile PTFE la 150 de grade se vor strecura, se vor deforma și în cele din urmă se vor prăbuși sau se vor rupe. Materialul prezintă, de asemenea, un coeficient ridicat de dilatare termică (aproximativ de 10 ori mai mare decât cel al oțelului), ceea ce duce la slăbirea excesivă a tubului și la oboseală mecanică la temperaturi ridicate.
Experiență practică
Experiența pe teren și ghidurile producătorului stabilesc limita de funcționare continuă sigură pentru tuburile schimbătoare de căldură din PTFE la 110 de grade pentru majoritatea serviciilor apoase corozive. Pentru excursii scurte de până la 120 de grade, unele modele pot fi acceptabile, dar 150 de grade este ferm în afara anvelopei sigure. Prin contrast, PFA își menține integritatea mecanică și rezistența chimică până la 260 de grade, fără tranziții de fază care să cauzeze instabilitate dimensională.
Coeficientul general de transfer de căldură (Valoare U) la 150 de grade
Valoare U similară la design echivalent
Pentru un scenariu ipotetic în care PTFE ar putea supraviețui la 150 de grade, valoarea U a unui schimbător de PFA și a unui schimbător de PTFE cu geometrie identică (diametrul tubului, grosimea peretelui, structura tubului și vitezele fluidului) ar fi aproape aceeași. Rezistența conductivă a peretelui tubului este doar o componentă a rezistenței termice totale. Celelalte componente-convecția pe partea tubului, convecția pe marginea carcasei și rezistențele la murdare-sunt identice pentru aceleași proprietăți și viteze ale fluidului. Deoarece conductivitățile termice ale PTFE și PFA sunt practic identice, valoarea U diferă cu mai puțin de 5%.
Avantaj practic: LMTD mai mare
Deoarece PTFE nu poate funcționa la 150 de grade, comparația practică nu este între două materiale la aceeași temperatură. 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, producând un LMTD de aproximativ 80-100 de grade. Un schimbător de PTFE, limitat la o temperatură de intrare pe partea fierbinte de 110 de grade, ar avea un LMTD de numai 40-50 de grade pentru aceeași apă de răcire. Pentru a transfera aceeași sarcină de căldură, schimbătorul de PTFE ar avea nevoie de aproximativ dublul suprafeței-dacă ar putea funcționa. În realitate, opțiunea PTFE este pur și simplu indisponibilă pentru o temperatură atât de ridicată.
Ghid practice de selecție
| Parametru | Schimbător PTFE | Schimbător PFA |
|---|---|---|
| Temperatura maximă de serviciu continuu (apoasă) | 110-120 de grade | 260 de grade |
| Conductivitate termică la 150 de grade | Nu se aplică (materialul eșuează) | ~0.22 W/m·K |
| Valoarea U (la aceeași geometrie și la aceleași temperaturi ale fluidului în intervalul PTFE) | Linia de bază | Comparabil (±5%) |
| Valoarea U (la 150 de grade partea fierbinte) | Nu este posibil | Determinat de LMTD și design |
| Cost relativ (pe unitate de suprafață) | Mai jos | Mai mare (prima de 15–30%) |
| Adecvarea pentru servicii corozive la temperaturi înalte | Nu | Da |
Concluzie: Supraviețuirea ca factor decisiv
Comparația dintre un PFA și un schimbător de PTFE la temperaturi ridicate este o simplă chestiune de supraviețuire, nu de performanță termică brută. La 150 de grade, PTFE se înmoaie, se strecoară și eșuează, în timp ce PFA rămâne puternic, stabil și inert din punct de vedere chimic. Coeficienții generali de transfer de căldură ai celor două materiale sunt aproape identici la aceeași grosime a peretelui, dar acest fapt este irelevant deoarece PTFE nu poate fi utilizat la acea temperatură. PFA este campionul termic pur și simplu pentru că poate suporta căldura. Cel mai bun material este cel care încă stă la temperatura procesului, iar pentru un flux coroziv de 150 de grade, PFA este acel material.
