Hvordan omsættes Graphites termiske ledningsevnefordel til mindre, lettere vekslere?

Grafit leder varme over 300 gange lettere end PTFE. Denne ene materialeegenskab har vidtrækkende konsekvenser med hensyn til størrelse, vægt og omkostninger ved en varmeveksler. Grafit er en effektiv varmetransmission over den tætte kerne, og PTFE har brug for et stort overfladeareal for at modvirke sin isoleringslignende adfærd. Dette fører til en betydelig reduktion i udstyrs fodaftryk og strukturelle krav, hvilket har en direkte indvirkning på de samlede installerede omkostninger og anlægslayoutfleksibiliteten.

Ledningsevnegabet: PTFE versus grafit
Grafit har normalt en termisk ledningsevne på 80 til 120 W/m·K, hvilket svarer til den termiske ledningsevne af nogle metaller som kulstofstål eller lav-legeret stål. PTFE har derimod en termisk ledningsevne på omkring 0,25 W/m K, hvilket er omtrent det samme som plastisoleringsmaterialer. Det betyder, at en grafitvæg med en bestemt tykkelse og temperaturgradient leder varme mere end 300 gange bedre end PTFE.

Den termiske modstand af PTFE varmeveksler er normalt styret af den lave ledningsevne af PTFE. Varmen skal igennem rørvæggen, som om end tynd (ofte 1-2 mm) alligevel udgør en stor hindring. Der kræves et stort overfladeareal for at opnå den nødvendige totale varmeoverførsel. Dette overfladeareal opnås ved hjælp af flere lange rør med lille diameter. Dette resulterer i voluminøse rørbundter og enorme skaller.

Men i en grafitveksler er varmefluxen ikke begrænset af selve materialet. De dominerende modstande er væskegrænselagene på begge sider. Så for de samme væskehastigheder og tilsmudsningsforhold kan en grafitveksler have en væsentligt større total varmeoverførselskoefficient (U-værdi) end en PTFE-enhed.

Kvantificering af størrelsesreduktion
Den effektive totale varmeoverførselskoefficient (U-værdi) er et mål for kombinerede effekter af materialeledningsevne, vægtykkelse og belægning på væske. Til et typisk flydende-flydende arbejde med moderat tilsmudsning:

Grafitblok eller skal-og-rørvarmeveksler: U-værdier ligger ofte i intervallet 600 til 1200 W/m2K.

PTFE-rørvekslere: U-værdier generelt mellem 200 og 400 W/m2.K.

En sammenligning i mellem-området kunne være, at en grafitveksler kan have en U--værdi tre gange højere end en PTFE-enhed i den samme tjeneste. Grafitdesignet behøver kun omkring en-tredjedel af varmeoverførselsarealet på grund af den omvendte proportionalitet mellem U og det nødvendige varmeoverførselsareal. Konduktivitetspåvirkningen er dog endnu mere indlysende i tilfælde af større proces-sidefilmkoefficienter (f.eks. kondenserende dampe eller væsker med høj-hastighed), hvor PTFE's rørvægsmodstand bliver dominerende. I sådanne tilfælde kan grafits arealfordel være op til en faktor fem til ti.

Denne uoverensstemmelse i ledningsevne fører til et drastisk resultat. Et kvalitativt eksempel giver en størrelsesorden. At afkøle 100 kW varm saltsyre fra 80 grader til 40 grader med kølevand kan involvere brugen af ​​en PTFE-skal-og-rørveksler på størrelse med en lille bil (f.eks. 2-3 m længde, 0,6 m diameter, med hundredvis af rør). Det samme arbejde, som en grafitblokveksler ville påtage sig, kan håndteres med en enhed på størrelse med en stor kuffert (f.eks. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Volumenforskellen kan være 5:1 eller større.

Vægt og strukturelle konsekvenser
Jo mindre den fysiske størrelse er, jo mindre vejer den. En kompakt varmeveksler med grafit termisk ledningsevne er typisk 50-70 % lettere end en PTFE-veksler, der udfører den samme termiske funktion. Den indvendige grafitkerne fylder mindre, hvilket betyder, at der kræves mindre skalmateriale (for det meste kulstofstål eller rustfrit stål). Lettere udstyr kræver færre væsentlige strukturelle understøtninger, sparer forsendelsesomkostninger og letter installationen, især i høje eller overbelastede steder.

I eftermonteringsapplikationer, hvor eksisterende fundamenter eller adgangsveje begrænser tilgængelig gulvplads, afgør kompaktheden af ​​grafitvekslere typisk, om en korrosionsbestandig løsning overhovedet kan installeres. PTFE-vekslere kræver store fodspor og betydelige afstande for at fjerne rørbundtet og passer måske simpelthen ikke ind i et sted med eksisterende rør og udstyr.

Anvendelseseksempler, hvor kompakthed er vigtig
Den farmaceutiske og finkemiske industri arbejder i dyre renrum eller verificerede forhold. Hver kvadratmeter gulvareal er dyr at bygge og drive. Grafitvekslere gør det muligt for procesingeniører at tilpasse høj-køling eller opvarmning i smalle processkinner, hvilket giver plads til andet udstyr. Den lille størrelse kan også minimere den nødvendige vurdering af varme-, ventilations- og-klimaanlæg (HVAC) til rene miljøer.

Begrænset adgang omkring tanke og transportsystemer er almindelig ved bejdsning og overfladebehandling. Grafitblokvekslere er mulige at fastgøre direkte til tankvægge eller skjult under platforme. Et PTFE-bundt skal have en separat fristående-skal med masser af rør-trækplads.

Lavt dødvolumen og hurtig temperaturrespons er påkrævet til fremstilling af halvledere og ultraren kemisk. Det kompakte design af grafit minimerer holdup-volumenet og forbedrer proceskontrollen og reducerer produkttabet under skift af kvalitet.

Hvornår skal man ofre kompakthed for andre hensyn
Men der er en pris at betale for det lille design af grafitvekslere. Som beskrevet på andre sider er grafit skørt og modstår ikke mekaniske stød eller vibrationer. PTFE, selvom det er større i størrelse, giver modstandsdygtighed mod vandslag og fejljustering. Selvom PTFE er større, kan det stadig være muligheden for applikationer, hvor plads ikke er et problem, og mekanisk pålidelighed er vigtig.

For enhver ny facilitet eller udvidelse, der er karakteriseret ved dyre fast ejendom eller tætpakkede processkinner, er det kompakte varmevekslerdesign med høj grafit termisk ledningsevne ofte det mest økonomiske alternativ. Den mindre enhed reducerer også mængden af ​​dyre legeringsskaller, dysefittings og isolering.

Konklusion:
Det store salgsargument for grafit er, at det kan give høje varmeoverførselshastigheder i en lille pakke-, noget som PTFE simpelthen ikke kan på et grundlæggende niveau. Termisk ledningsevne 300 gange højere end PTFE resulterer i samlede varmeoverførselskoefficienter tre til ti gange højere, og en meget mindre og lettere veksler kan udføre en given opgave. Grafit er attraktivt til anvendelser såsom farmaceutiske, finkemikalier og overfladebehandling, hvor gulvplads, strukturel belastning og installationsomkostninger er afgørende. Materialevalg skal ikke kun omfatte kemisk kompatibilitet, men hele installationsomkostninger i betragtning af plads og strukturelle overvejelser. Grafits kompakthed er ikke kun en forbedring, når en eksisterende facilitet er begrænset af størrelsen af ​​en stor PTFE-veksler, det kan være den muliggørende faktor, der gør korrosionsbestandig- varmeoverførsel mulig.