Hvordan er den samlede varmeoverførselskoefficient for en PFA-veksler sammenlignet med en PTFE ved 150 grader?

Varm, ætsende processtrøm ved 150 grader. PTFE er den typiske fluorpolymer til varmevekslere, men er fuldstændig uegnet ved denne temperatur, den ville svækkes og svigte. Dens nære kemiske fætter PFA er perfekt behagelig. Begge materialer er meget gode isolatorer, og deres rå, grundlæggende evne til at lede varme er næsten ens. Den termiske fordel ved en PFA-veksler ved 150 grader skyldes ikke, at den er en overlegen leder, men simpelthen fordi den ved den temperatur stadig er et solidt, stærkt rør, der er i stand til at udføre en varmevekslingsopgave, som PTFE ikke engang kan tænke på. For at forstå sammenligningen af ​​PFA versus PTFE varmeoverførselskoefficient ved 150 grader er man nødt til at se ud over varmeledningsevnetallet og fokusere på den maksimale driftstemperatur.

Termisk ledningsevne: Et næsten ideelt isolerende materiale
Den termiske ledningsevne af både PTFE (polytetrafluorethylen) og PFA (perfluoralkoxyalkan) er i området fra 0,20 til 0,25 W/m·K ved typiske behandlingstemperaturer. Af tekniske årsager kan disse tal praktisk talt ikke skelnes. Den ledende termiske modstand af et rør sammensat af begge materialer vil være praktisk talt den samme for den samme tykkelse (f.eks. 1 mm for et rør med lille diameter eller 2 mm for en større skal og rørveksler). Derfor svarer den samlede varmeoverførselskoefficient (U--værdi) for en PFA-veksler til den for en PTFE-veksler af samme design, så længe begge bruges inden for deres respektive temperaturbegrænsninger.

Den største altoverskyggende fordel ved PFA er den højere kontinuerlige driftstemperatur på 260 grader sammenlignet med den praktiske grænse for PTFE for el-varmelegeme eller varmevekslerservice, som er omkring 110-120 grader i vandige miljøer (og lidt højere under nogle tørre eller ikke-oxiderende forhold). Dette gør det muligt for en PFA-veksler at fungere ved 150 grader med en langt større logaritmisk middeltemperaturforskel (LMTD) for samme job, hvilket resulterer i en mindre og mere økonomisk varmeveksler. Gevinsten ligger ikke i mængden af ​​ledningsevne, men i materialets evne til at dukke op til kampen.

PFA vinder varmekrigen, ikke fordi det kører hurtigere, men fordi det er tilladt på banen. Ved 150 graders PTFE er ingen konkurrent - den har allerede forladt banen.

Hvorfor PTFE ikke er egnet til varmevekslerservice ved 150 grader
Mekanisk blødgøring og krybning
Ved kontinuerlig nedsænkning begynder PTFE at svækkes og miste sin mekaniske styrke ved omkring 110-120 grader. PTFE har et teoretisk smeltepunkt på 327 grader, men gennemgår en krystallinsk faseændring ved omkring 19 grader og igen ved omkring 30 grader, hvor de amorfe områder begynder at få mobilitet ved temperaturer over 100 grader. PTFE-rør ved 150 grader vil krybe, deformere og til sidst kollapse eller knække i varmevekslere, hvor rør er udsat for indre tryk, ydre tryk og termiske ekspansionskræfter. Materialet har også en høj termisk udvidelseskoefficient (ca. 10 gange stålets), hvilket forårsager overdreven hængende af rørene og mekanisk træthed ved høje temperaturer.

Praktisk-erfaring
PTFE-varmevekslerrør er generelt specificeret af fabrikanter og felterfaring for at have en sikker kontinuerlig driftsgrænse på 110 grader for de fleste ætsende vandige tjenester. Nogle designs kan være OK til korte ture op til 120 grader, men 150 grader er langt over det sikre område. Omvendt bevarer PFA sin mekaniske integritet og kemiske modstand op til 260 grader uden de faseændringer, der forårsager dimensionel ustabilitet.

Samlet varmeoverførselskoefficient (U-værdi) ved 150 grader
Tilsvarende design Lignende U-værdi
I et imaginært tilfælde, hvor PTFE kunne være stabilt ved 150 grader, ville U-værdien af ​​en PFA-veksler og en PTFE-veksler med de samme geometriske parametre (rørdiameter, vægtykkelse, rørlayout og væskehastigheder) være ret ens. Rørvæggens elektriske modstand er kun en del af den samlede termiske modstand. Andre modstande (rør-side og skal-sidekonvektion og begroning) er de samme for de samme væskekarakteristika og hastigheder. Varmeledningsevnerne for PTFE og PFA er næsten sammenlignelige, så U--værdien har en forskel på højst 5 %.

Praktisk fordel: Højere LMTD
En praktisk sammenligning er ikke to materialer ved samme temperatur, fordi PTFE ikke kan betjenes ved 150 grader. I stedet kan en PFA-veksler bruges til at køle en 150 graders strøm med f.eks. 30 graders kølevand, hvilket giver en LMTD på omkring 80-100 grader. For det samme kølevand ville en PTFE-veksler, begrænset til en indløbstemperatur på varm side på 110 oC, have en LMTD på kun 40-50 oC. PTFE-veksleren ville have brug for næsten det dobbelte af overfladearealet for at udføre det samme arbejde med varmetransmission – hvis den overhovedet kunne fungere. Men PTFE-muligheden eksisterer faktisk ikke for en så høj temperatur.

Praktiske tips til valg
Parameter PTFE-veksler PFA-veksler
Maks. kontinuerlig driftstemperatur (vandig) 110-120 grader 260 grader
Termisk ledningsevne @ 150 grader Ikke relevant (materialefejl) ~0,22 W/mK U-værdi (ved identisk geometri og samme væsketemperaturer inden for PTFE's område) Baseline Sammenlignelig (±5 %)
U-værdi (varm side 150 grader) Design og LMTD Ikke muligt
Omkostningsforhold (pr. arealenhed) Lavere Højere (15-30 præmie)
Egnethed til højtemperatur ætsende serviceJa Nej
Konklusion: Det er et spørgsmål om overlevelse
Fordelen ved en PFA frem for en PTFE-veksler ved høje temperaturer er ikke rå termisk ydeevne, men et spørgsmål om overlevelse. PTFE blødgør, kravler og fejler ved 150 grader, hvorimod PFA er sejt, stabilt og kemisk inert. De samlede varmeoverførselskoefficienter for de to materialer er stort set de samme ved samme vægtykkelse, men det gør ikke noget, fordi PTFE ikke kan bruges ved den temperatur. PFA er termisk mester, kan tåle varmen. Det optimale materiale er det, der stadig står ved procestemperaturen, og for en 150 graders ætsende strøm er PFA det materiale.