Як загальний коефіцієнт теплопередачі PFA обмінника порівняно з PTFE при 150 градусах?

Гарячий корозійний технологічний потік при 150 градусах. PTFE є типовим фторполімером для теплообмінників, але він абсолютно непридатний при цій температурі, він може ослабнути та вийти з ладу. Його близький хімічний двоюрідний брат PFA абсолютно приємний. Обидва матеріали є дуже хорошими ізоляторами, і їх первинна фундаментальна здатність проводити тепло майже однакова. Теплова перевага теплообмінника PFA при 150 градусах пояснюється не тим, що він є кращим провідником, а просто тому, що при цій температурі він все ще є твердою, міцною трубою, здатною виконувати завдання теплообміну, про яке PTFE не може навіть подумати. Щоб зрозуміти порівняння коефіцієнта теплопередачі PFA і PTFE при 150 градусах, потрібно дивитися не тільки на коефіцієнт теплопровідності, а зосередитися на максимальній робочій температурі.

Теплопровідність: майже ідеальний ізоляційний матеріал
Теплопровідність як PTFE (політетрафторетилену), так і PFA (перфторалкоксиалкану) знаходиться в діапазоні від 0,20 до 0,25 Вт/м·К за типових температур обробки. Для інженерних цілей ці числа практично нерозрізнені. Теплопровідний опір труби, що складається з будь-якого матеріалу, буде практично однаковим для однакової товщини (наприклад, 1 мм для трубки малого діаметру або 2 мм для кожухотрубного теплообмінника більшого розміру). Таким чином, загальний коефіцієнт теплопередачі (U-значення) теплообмінника PFA подібний до коефіцієнта теплообмінника PTFE тієї ж конструкції, якщо обидва використовуються в межах відповідних температурних обмежень.

Основною перевагою PFA є вища безперервна робоча температура 260 градусів порівняно з практичною межею PTFE для занурювальних нагрівачів або теплообмінників, яка становить близько 110-120 градусів у водному середовищі (і трохи вище в деяких сухих або неокислюючих умовах). Це дозволяє PFA-обміннику працювати при 150 градусах із значно більшою логарифмічною середньою різницею температур (LMTD) для тієї ж роботи, що призводить до меншого та економічнішого теплообмінника. Перемога полягає не в кількості провідності, а в здатності матеріалу проявляти себе до бою.

PFA перемагає у гарячій війні не тому, що бігає швидше, а тому, що його допускають на трасу. 150-градусний PTFE не є конкурентом - він уже покинув поле.

Чому PTFE не підходить для обслуговування теплообмінника при 150 градусах
Механічне розм'якшення і повзучість
При постійному зануренні PTFE починає слабшати та втрачати свою механічну міцність приблизно при 110–120 градусах. PTFE має теоретичну температуру плавлення 327 градусів, але зазнає зміни кристалічної фази приблизно при 19 градусах і знову приблизно при 30 градусах, при цьому аморфні ділянки починають набувати рухливості при температурах, що перевищують 100 градусів. ПТФЕ-трубки при 150 градусах будуть повзати, деформуватися і, зрештою, руйнуватися або ламатися в теплообмінниках, де труби піддаються внутрішньому тиску, зовнішньому тиску та силам теплового розширення. Цей матеріал також має високий коефіцієнт теплового розширення (приблизно в 10 разів більше, ніж у сталі), що викликає надмірне провисання труб і механічну втому при високих температурах.

Практичний-досвід
Теплотетрафторэтиленові теплообмінні труби, як правило, визначені виробниками та польовим досвідом, щоб мати безпечну безперервну робочу межу 110 градусів для більшості корозійних водних систем. Деякі конструкції можуть підходити для коротких подорожей до 120 градусів, але 150 градусів значно перевищує безпечний діапазон. Навпаки, PFA зберігає свою механічну цілісність і хімічну стійкість до 260 градусів без фазових змін, які викликають нестабільність розмірів.

Загальний коефіцієнт теплопередачі (U-значення) при 150 градусах
Еквівалентний проект, подібне значення U-
В уявному випадку, коли PTFE може бути стабільним при 150 градусах, значення U- для теплообмінника PFA та теплообмінника PTFE з однаковими геометричними параметрами (діаметр труби, товщина стінки, розташування труби та швидкість рідини) буде досить подібним. Електричний опір стінки труби становить лише частину загального теплового опору. Інші опори (конвекція та забруднення з боку -труби та -оболонки) однакові для тих самих характеристик і швидкостей рідини. Теплопровідність PTFE та PFA майже порівнянна, тому значення U- має різницю не більше ніж на 5%.

Практична перевага: Вищий LMTD
Практичне порівняння - це не два матеріали при однаковій температурі, тому що PTFE не може працювати при 150 градусах. Замість цього можна використовувати теплообмінник PFA для охолодження потоку на 150 градусів за допомогою, наприклад, охолоджувальної води на 30 градусів, що дає LMTD приблизно 80-100 градусів. Для тієї самої охолоджувальної води теплообмінник з PTFE, обмежений температурою на вході гарячої сторони 110 oC, матиме LMTD лише 40-50 oC. ПТФЕ-обміннику знадобилася б майже вдвічі більша площа поверхні, щоб виконати таку саму роботу з передачі тепла – якби він взагалі міг працювати. Але варіант PTFE не існує для такої високої температури.

Практичні поради щодо вибору
Параметр PTFE Exchanger PFA Exchanger
Макс. безперервна робоча температура (водна) 110-120 градусів 260 градусів
Теплопровідність при 150 градусах Не застосовується (матеріал виходить з ладу) ~0,22 Вт/мК U-значення (при однаковій геометрії та однакових температурах рідини в діапазоні PTFE) Базовий рівень Порівняно (±5%)
U-значення (гаряча сторона 150 градусів) Конструкція та LMTD Неможливо
Відносна вартість (на одиницю площі) Нижча Вища (надбавка 15-30)
Придатність для високотемпературної корозійної роботи Так Ні
Висновок: це питання виживання
Перевага PFA над теплообмінником PTFE при високих температурах полягає не в теплових характеристиках, а в питаннях виживання. ПТФЕ розм'якшується, розповзається і руйнується при 150 градусах, тоді як ПФА є міцним, стабільним і хімічно інертним. Загальні коефіцієнти теплопередачі двох матеріалів практично однакові при однаковій товщині стінки, але це не має значення, оскільки PTFE не можна використовувати за такої температури. PFA є термічним чемпіоном, витримує спеку. Оптимальним матеріалом є той, який все ще стоїть при температурі процесу, а для 150-градусного корозійного потоку таким матеріалом є PFA.