Гарячий корозійний технологічний потік має температуру 150 градусів. PTFE, класичний фторполімер для теплообмінників, абсолютно непридатний при цій температурі; воно пом'якшилося б і вийшло з ладу. PFA, його близький хімічний родич, абсолютно зручний. Обидва матеріали є чудовими ізоляторами, і їх необроблена внутрішня здатність проводити тепло майже однакова. Теплова перевага PFA-обмінника 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, що забезпечує теплообмін, який PTFE не може навіть спробувати. РозумінняКоефіцієнт теплопередачі PFA проти PTFE 150 градусівДля порівняння потрібно дивитися не тільки на коефіцієнт теплопровідності, але й зосереджуватися на максимальній робочій температурі.

Теплопровідність: майже ідентичний ізолятор

Теплопровідність як PTFE (політетрафторетилену), так і PFA (перфторалкоксиалкану) знаходиться в діапазоні 0,20–0,25 Вт/м·К за типових температур процесу. Ці значення майже не відрізняються для інженерних цілей. При однаковій товщині стінки (наприклад, 1 мм для трубки малого діаметра або 2 мм для більшого кожухотрубного теплообмінника) теплопровідний опір трубки, виготовленої з будь-якого матеріалу, буде по суті однаковим. Таким чином, загальний коефіцієнт теплопередачі (U‑значення) теплообмінника PFA подібний до коефіцієнта теплообмінника PTFE для еквівалентної конструкції-за умови, що обидва вони працюють у відповідних температурних межах.

Ключовою перевагою PFA є його вища безперервна робоча температура 260 градусів порівняно з практичною межею PTFE для занурювальних нагрівачів або теплообмінників, яка становить приблизно 110–120 градусів у водному середовищі (і трохи вище в деяких сухих або неокислювальних умовах). Це дозволяє PFA-обміннику обробляти рідини при 150 градусах, використовуючи набагато більшу логарифмічну середню різницю температур (LMTD) для того самого навантаження, що призводить до меншого та економічнішого теплообмінника. Перемога не в показнику провідності, а в здатності матеріалу виходити на бій.

PFA виграє термічний бій не тому, що він швидший бігун, а тому, що його взагалі допускають на трасу. При 150 градусах PTFE не є конкурентом-він уже покинув поле.

Чому PTFE не можна використовувати при температурі 150 градусів в теплообміннику

Механічне розм'якшення і повзучість

ПТФЕ починає розм’якшуватися та втрачати механічну міцність приблизно при температурі 110–120 градусів у безперервному зануренні. У той час як PTFE має теоретичну температуру плавлення 327 градусів, він зазнає кристалічного фазового переходу приблизно при 19 градусах і інший при приблизно 30 градусах, а вище 100 градусів аморфні області стають все більш рухливими. У теплообміннику, де труби піддаються внутрішньому тиску, зовнішньому тиску та напрузі теплового розширення, труби з ПТФЕ при 150 градусах будуть повзати, деформуватися та, зрештою, руйнуватися або розриватися. Цей матеріал також демонструє високий коефіцієнт теплового розширення (приблизно в 10 разів більше, ніж у сталі), що призводить до надмірного провисання труб і механічної втоми при підвищених температурах.

Практичний досвід

Польовий досвід і рекомендації виробника встановлюють безпечну безперервну робочу межу для труб теплообмінника з PTFE на рівні 110 градусів для більшості корозійних водних систем. Для коротких екскурсій до 120 градусів деякі конструкції можуть бути прийнятними, але 150 градусів твердо виходять за межі безпечної оболонки. Навпаки, PFA зберігає свою механічну цілісність і хімічну стійкість до 260 градусів, без фазових переходів, які викликають нестабільність розмірів.

Загальний коефіцієнт теплопередачі (U‑значення) при 150 градусах

Подібне значення U при еквівалентному дизайні

Для гіпотетичного сценарію, коли ПТФЕ може витримати температуру 150 градусів, значення U для теплообмінника з ПФА та теплообмінника з ПТФЕ з однаковою геометрією (діаметр труби, товщина стінки, розташування труб і швидкість рідини) буде майже однаковим. Електропровідний опір стінки труби є лише одним із компонентів загального теплового опору. Інші компоненти-конвекція з боку труби, конвекція з боку оболонки та стійкість до забруднення-ідентичні для тих самих властивостей і швидкостей рідини. Оскільки коефіцієнти теплопровідності PTFE та PFA практично однакові, значення U відрізняється менш ніж на 5%.

Практична перевага: більший LMTD

Оскільки PTFE не може працювати при 150 градусах, практичне порівняння не відбувається між двома матеріалами при однаковій температурі. Замість цього можна використовувати теплообмінник PFA для охолодження потоку на 150 градусів за допомогою, наприклад, охолоджувальної води на 30 градусів, створюючи LMTD приблизно 80–100 градусів. Тефлоновий теплообмінник, обмежений температурою гарячої сторони на вході 110 градусів, матиме LMTD лише 40–50 градусів для тієї самої охолоджувальної води. Щоб передати те саме теплообмінник, PTFE-обмінник потребував би приблизно вдвічі більшу площу поверхні-якщо він взагалі міг би працювати. Насправді варіант PTFE просто недоступний для такої високої температури.

Практичні рекомендації щодо вибору

Висновок: виживання як вирішальний фактор

Порівняння між PFA і PTFE теплообмінником при високих температурах є простим питанням виживання, а не простої теплової продуктивності. При 150 градусах PTFE розм’якшується, розповзається та руйнується, тоді як PFA залишається міцним, стабільним та хімічно інертним. Загальні коефіцієнти теплопередачі двох матеріалів майже однакові при однаковій товщині стінки, але цей факт не має значення, оскільки PTFE не можна використовувати при такій температурі. PFA є чемпіоном із теплового режиму просто тому, що він може витримувати тепло. Найкращим матеріалом є той, який все ще стоїть при температурі процесу, а для корозійного потоку 150 градусів цим матеріалом є PFA.