Kuinka PFA-vaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin verrataan PTFE Oneen 150 asteessa?

Kuuma, syövyttävä prosessivirta 150 asteessa. PTFE on tyypillinen fluoripolymeeri lämmönvaihtimille, mutta se on täysin sopimaton tähän lämpötilaan, se heikkenee ja epäonnistuu. Sen läheinen kemiallinen serkku PFA on täysin miellyttävä. Molemmat materiaalit ovat erittäin hyviä eristeitä, ja niiden raaka, peruskyky johtaa lämpöä on lähes samanlainen. PFA-vaihtimen lämpöetu 150 asteessa ei johdu sen ylivoimaisesta johdosta, vaan yksinkertaisesti siitä, että se on tuossa lämpötilassa edelleen kiinteä, vahva putki, joka pystyy suorittamaan lämmönvaihtotehtävän, jota PTFE ei voi edes ajatella. PFA:n ja PTFE:n lämmönsiirtokertoimen vertailun ymmärtämiseksi 150 asteessa on katsottava lämmönjohtavuuslukua pidemmälle ja keskityttävä maksimikäyttölämpötilaan.

Lämmönjohtavuus: lähes ihanteellinen eristysmateriaali
Sekä PTFE:n (polytetrafluorieteeni) että PFA:n (perfluorialkoksialkaanin) lämmönjohtavuus on välillä 0,20 - 0,25 W/m·K tyypillisissä käsittelylämpötiloissa. Teknisistä syistä nämä luvut ovat käytännössä erottamattomia. Kummastakin materiaalista koostuvan putken johtava lämpövastus on käytännössä sama samalla paksuudella (esim. 1 mm halkaisijaltaan pienellä putkella tai 2 mm suuremmalla vaipalla ja putkenvaihtimella). Siksi PFA-vaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin (U--arvo) on samanlainen kuin saman mallin PTFE-vaihtimen, kunhan molempia käytetään vastaavissa lämpötilarajoituksissaan.

PFA:n suurin ylivoimainen etu on korkeampi jatkuva käyttölämpötila 260 astetta verrattuna PTFE:n käytännön rajaan uppolämmittimen tai lämmönvaihtimen käyttöön, joka on noin 110{2}}120 astetta vesipitoisissa ympäristöissä (ja hieman korkeampi joissakin kuivissa tai hapettamattomissa olosuhteissa). Tämä mahdollistaa PFA-vaihtimen toiminnan 150 asteessa paljon suuremmalla logaritmisella keskilämpötilaerolla (LMTD) samassa työssä, jolloin lämmönvaihdin on pienempi ja taloudellisempi. Voitto ei ole johtavuuden määrässä, vaan materiaalin kyvyssä esiintyä taistelussa.

PFA voittaa lämpösodan, ei siksi, että se juoksee nopeammin, vaan koska se on sallittu radalla. 150 asteen kulmassa PTFE ei ole kilpailija - se on jo lähtenyt kentältä.

Miksi PTFE ei sovellu lämmönvaihdinhuoltoon 150 asteessa?
Mekaaninen pehmennys ja ryömintä
Jatkuvassa upotuskäytössä PTFE alkaa heikentyä ja menettää mekaanista lujuuttaan noin 110–120 asteessa. PTFE:n teoreettinen sulamispiste on 327 astetta, mutta se käy läpi kiteisen faasin muutoksen noin 19 asteessa ja uudelleen noin 30 asteessa, jolloin amorfiset alueet alkavat liikkua yli 100 asteen lämpötiloissa. PTFE-putket 150 asteen kulmassa viruvat, muotoutuvat ja lopulta romahtavat tai rikkoutuvat lämmönvaihtimissa, joissa putket ovat alttiina sisäiselle paineelle, ulkoiselle paineelle ja lämpölaajenemisvoimille. Materiaalilla on myös korkea lämpölaajenemiskerroin (noin 10 kertaa teräksen verrattuna), mikä aiheuttaa putkien liiallista roikkumista ja mekaanista väsymistä korkeissa lämpötiloissa.

Käytännön-kokemus
Valmistajat ja kenttäkokemus ovat yleensä määrittäneet PTFE-lämmönvaihdinputkien turvalliseksi jatkuvan 110 asteen käyttörajan useimmissa syövyttävissä vesipitoisissa palveluissa. Jotkut mallit voivat sopia lyhyille matkoille 120 asteeseen asti, mutta 150 astetta on selvästi yli turvallisen alueen. Toisaalta PFA säilyttää mekaanisen eheytensä ja kemiallisen kestävyytensä 260 asteeseen asti ilman faasimuutoksia, jotka aiheuttavat mittaepävakautta.

Kokonaislämmönsiirtokerroin (U-arvo) 150 asteessa
Vastaava suunnittelu Samanlainen U{0}}-arvo
Kuvitteellisessa tapauksessa, jossa PTFE voisi olla stabiili 150 asteessa, PFA-vaihtimen ja PTFE-vaihtimen U--arvo, jolla on samat geometriset parametrit (putken halkaisija, seinämän paksuus, putken asettelu ja nesteen nopeudet), olisi melko samanlainen. Putken seinämän sähkövastus on vain osa kokonaislämpövastusta. Muut vastukset (putken{4}}puolen ja kuoren-puoleinen konvektio ja likaantuminen) ovat samat samoilla nesteen ominaisuuksilla ja nopeuksilla. PTFE:n ja PFA:n lämmönjohtavuudet ovat lähes vertailukelpoisia, joten U--arvon ero on enintään 5 %.

Käytännön etu: Korkeampi LMTD
Käytännön vertailu ei ole kaksi materiaalia samassa lämpötilassa, koska PTFE:tä ei voida käyttää 150 asteessa. Sen sijaan PFA-vaihtimella voidaan jäähdyttää 150-asteista virtaa esimerkiksi 30-asteisella jäähdytysvedellä, jolloin LMTD on noin 80-100 astetta. Samalla jäähdytysvedellä PTFE-vaihtimen, joka on rajoitettu kuuman puolen tulolämpötilaan 110 oC, LMTD olisi vain 40-50 oC. PTFE-vaihdin tarvitsisi lähes kaksinkertaisen pinta-alan tehdäkseen saman lämmönsiirtotehtävän – jos se voisi toimia ollenkaan. Mutta PTFE-vaihtoehtoa ei itse asiassa ole olemassa niin korkealle lämpötilalle.

Käytännön vinkkejä valintaan
Parametri PTFE Exchanger PFA Exchanger
Max. jatkuva käyttölämpötila (vesipitoinen) 110-120 astetta 260 astetta
Lämmönjohtavuus @ 150 astetta Ei sovellettavissa (materiaalivikaa) ~0,22 W/mK U--arvo (samalla geometrialla ja samoilla nesteen lämpötiloilla PTFE:n alueella) Perustaso Vertailukelpoinen (±5 %)
U-arvo (kuuma puoli 150 astetta) Suunnittelu ja LMTD Ei toteutettavissa
Suhteellinen hinta (pinta-alayksikköä kohti) Alempi Korkeampi (15–30 premium)
Soveltuvuus korkean lämpötilan syövyttävään käyttöön Kyllä Ei
Johtopäätös: Se on selviytymiskysymys
PFA:n etu PTFE-vaihtimeen verrattuna korkeissa lämpötiloissa ei ole raakalämpöteho, vaan selviytymiskysymys. PTFE pehmenee, ryömii ja hajoaa 150 asteessa, kun taas PFA on sitkeää, vakaata ja kemiallisesti inerttiä. Kahden materiaalin kokonaislämmönsiirtokertoimet ovat käytännössä samat samalla seinämänpaksuudella, mutta sillä ei ole väliä, koska PTFE:tä ei voida käyttää tässä lämpötilassa. PFA on lämpömestari, kestää lämpöä. Optimaalinen materiaali on se, joka vielä seisoo prosessilämpötilassa, ja 150 asteen syövyttävälle virtaukselle PFA on se materiaali.