كيف يمكن مقارنة معامل نقل الحرارة الإجمالي لمبادل PFA مع PTFE عند 150 درجة؟

تيار عملية ساخن ومتآكل عند 150 درجة. PTFE هو البوليمر الفلوري النموذجي للمبادلات الحرارية ولكنه غير مناسب تمامًا عند درجة الحرارة هذه، وسوف يضعف ويفشل. ابن عمه الكيميائي القريب PFA لطيف تمامًا. كلتا المادتين عبارة عن عوازل جيدة جدًا، وقدرتهما الأساسية على توصيل الحرارة متشابهة تقريبًا. الميزة الحرارية لمبادل PFA عند 150 درجة لا ترجع إلى كونه موصلًا متفوقًا، ولكن ببساطة لأنه عند درجة الحرارة هذه لا يزال أنبوبًا قويًا وصلبًا، قادرًا على أداء مهمة التبادل الحراري التي لا يمكن لـ PTFE حتى التفكير فيها. لفهم المقارنة بين PFA ومعامل نقل الحرارة PTFE عند 150 درجة، يجب على المرء أن ينظر إلى ما هو أبعد من رقم التوصيل الحراري ويركز على الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة.

الموصلية الحرارية: مادة عازلة مثالية تقريبًا
تتراوح الموصلية الحرارية لكل من PTFE (بولي تترافلوروإيثيلين) وPFA (ألكان بيرفلوروألكوكسي) من 0.20 إلى 0.25 واط/م·ك عند درجات حرارة المعالجة النموذجية. ولأغراض هندسية، لا يمكن تمييز هذه الأرقام عمليا. ستكون المقاومة الحرارية الموصلة للأنبوب المكون من أي من المادتين هي نفسها عمليًا لنفس السُمك (على سبيل المثال، 1 مم لأنبوب قطره صغير أو 2 مم لهيكل أكبر ومبادل أنبوب). لذلك فإن معامل نقل الحرارة الإجمالي (قيمة U-) لمبادل PFA يشبه معامل PTFE من نفس التصميم، طالما يتم استخدام كليهما ضمن حدود درجة الحرارة الخاصة بهما.

الميزة الرئيسية المهيمنة لـ PFA هي ارتفاع درجة حرارة الخدمة المستمرة البالغة 260 درجة مقارنة بالحد العملي لـ PTFE لخدمة السخان الغاطس أو المبادل الحراري والذي يبلغ حوالي 110-120 درجة في البيئات المائية (وأعلى قليلاً في بعض الظروف الجافة أو غير المؤكسدة). يتيح ذلك لمبادل PFA العمل عند 150 درجة مع فرق لوغاريتمي متوسط ​​درجة الحرارة (LMTD) أكبر بكثير لنفس الوظيفة، مما يؤدي إلى مبادل حراري أصغر وأكثر اقتصادا. إن الفوز ليس في كمية الموصلية، ولكن في قدرة المادة على الظهور في القتال.

تفوز رياضة PFA بالحرب الحارة، ليس لأنها تجري بشكل أسرع، ولكن لأنها مسموحة على المسار الصحيح. عند 150 درجة PTFE لا يوجد منافس - فقد غادر الميدان بالفعل.

لماذا لا يعتبر PTFE مناسبًا لخدمة المبادلات الحرارية عند 150 درجة
التليين الميكانيكي والزحف
في الاستخدام المستمر للغمر، يبدأ PTFE في الضعف ويفقد قوته الميكانيكية عند حوالي 110-120 درجة. يحتوي PTFE على نقطة انصهار نظرية تبلغ 327 درجة ولكنه يخضع لتغير الطور البلوري عند حوالي 19 درجة ومرة ​​أخرى عند حوالي 30 درجة، مع بدء المناطق غير المتبلورة في اكتساب القدرة على الحركة عند درجات حرارة تتجاوز 100 درجة. سوف تزحف أنابيب PTFE عند 150 درجة، وتشوه، وفي نهاية المطاف تنهار أو تنكسر في المبادلات الحرارية حيث تخضع الأنابيب للضغط الداخلي والضغط الخارجي وقوى التمدد الحراري. تحتوي المادة أيضًا على معامل تمدد حراري عالي (حوالي 10 أضعاف الفولاذ) مما يسبب التدلي المفرط للأنابيب والتعب الميكانيكي عند درجات الحرارة المرتفعة.

خبرة عملية-.
يتم تحديد أنابيب المبادل الحراري PTFE بشكل عام من قبل الشركات المصنعة والخبرة الميدانية للحصول على حد تشغيل مستمر آمن يبلغ 110 درجة لمعظم الخدمات المائية المسببة للتآكل. قد تكون بعض التصميمات مناسبة للرحلات القصيرة التي تصل إلى 120 درجة، ولكن 150 درجة أعلى بكثير من النطاق الآمن. على العكس من ذلك، يحتفظ PFA بسلامته الميكانيكية ومقاومته الكيميائية حتى 260 درجة، دون تغيرات الطور التي تسبب عدم استقرار الأبعاد.

معامل انتقال الحرارة الإجمالي (U{0}}Value) عند 150 درجة
تصميم مكافئ ذو قيمة U- مماثلة
في حالة خيالية حيث يمكن أن يكون PTFE مستقرًا عند 150 درجة، ستكون قيمة U- لمبادل PFA ومبادل PTFE لنفس المعلمات الهندسية (قطر الأنبوب، وسمك الجدار، وتخطيط الأنبوب وسرعات الموائع) متشابهة إلى حد ما. المقاومة الكهربائية لجدار الأنبوب ليست سوى جزء من المقاومة الحرارية الكلية. المقاومات الأخرى (جانب الأنبوب - والحمل الحراري الجانبي للقذيفة - والتلوث) هي نفسها بالنسبة لنفس خصائص وسرعات السائل. الموصلية الحرارية لـ PTFE وPFA قابلة للمقارنة تقريبًا، وبالتالي فإن قيمة U-لا يوجد فرق يزيد عن 5%.

الميزة العملية: ارتفاع LMTD
المقارنة العملية ليست مادتين في نفس درجة الحرارة لأن PTFE لا يمكن تشغيله عند 150 درجة. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام مبادل PFA لتبريد تيار بدرجة 150 باستخدام، على سبيل المثال، ماء تبريد بدرجة 30، مما يعطي LMTD حوالي 80-100 درجة. بالنسبة لمياه التبريد نفسها، فإن مبادل PTFE، الذي يقتصر على درجة حرارة مدخل جانبية ساخنة تبلغ 110 درجة مئوية، سيكون له LMTD يبلغ 40-50 درجة مئوية فقط. سيحتاج مبادل PTFE إلى ضعف مساحة السطح تقريبًا للقيام بنفس مهمة نقل الحرارة - هذا إذا كان بإمكانه العمل على الإطلاق. لكن خيار PTFE غير موجود لمثل هذه الحرارة المرتفعة في الواقع.

نصائح عملية للاختيار
المعلمة PTFE مبادل PFA مبادل
الأعلى. درجة حرارة الخدمة المستمرة (مائي) 110-120 درجة 260 درجة
الموصلية الحرارية عند 150 درجة غير قابلة للتطبيق (فشل المادة) ~0.22 واط/ملي كلفن قيمة U- (في هندسة متطابقة ونفس درجات حرارة السوائل ضمن نطاق PTFE) خط الأساس قابل للمقارنة (±5%)
قيمة U (الجانب الساخن 150 درجة) التصميم وLMTD غير ممكن
التكلفة النسبية (لكل وحدة مساحة) أقل أعلى (15-30 قسطًا)
الملاءمة لخدمة التآكل في درجات الحرارة العالية نعم لا
الخلاصة: إنها مسألة بقاء
إن ميزة PFA على مبادل PTFE في درجات الحرارة المرتفعة لا تتمثل في الأداء الحراري الخام ولكنها مسألة بقاء. يلين PTFE ويزحف ويفشل عند 150 درجة، في حين أن PFA قوي ومستقر وخامل كيميائيًا. إجمالي معاملات نقل الحرارة للمادتين هي نفسها تقريبًا عند نفس سمك الجدار ولكن هذا لا يهم لأنه لا يمكن استخدام PTFE عند درجة الحرارة تلك. PFA هو البطل الحراري، يمكنه تحمل الحرارة. المادة المثالية هي تلك التي لا تزال قائمة عند درجة حرارة العملية وبالنسبة لتيار متآكل بدرجة 150 درجة PFA هي تلك المادة.