Яке майбутнє конструкцій PTFE нагрівачів, що переробляються, з роздільним металевим сердечником і полімерною оболонкою?

Відпрацьований занурювальний нагрівач з ПТФЕ — це шматок із змішаних матеріалів-металевого сердечника, зв’язаного у фтор-полімерній оболонці. Відомо, що його важко переробити. Зараз прогресивні виробники розробляють наступне покоління, яке акуратно розбирається, як багнет, щоб метал і пластик можна було переробляти, а не ховати. Захоронення та спалювання використаних обігрівачів з ПТФЕ буде поступово припинено, оскільки екологічні обмеження у всьому світі посилюються, а компанії приймають ідеї циклічної економіки. Конструкція нагрівача PTFE, що підлягає повторній переробці, із модульною конструкцією серцевини знаменує собою значний перехід у концепції промислового опалювального обладнання, від одноразових вузлів до систем із відновлюваними ресурсами.

Сьогоднішня проблема: -різноманітний виклик
PTFE (політетрафторетилен) високо цінується за його високу хімічну стійкість і термічну стабільність. Але саме ці якості також роблять його майже неможливим для переробки. Традиційний нагрівач з ПТФЕ виготовляється шляхом постійного включення металевого резистивного нагрівального елемента в оболонку з ПТФЕ за допомогою технології спікання. Металевий сердечник і фторполімер також тісно з’єднуються, утворюючи композитну структуру, яка чинить опір роз’єднанню.

Сучасні підходи до терапії кінця--життя мають серйозні недоліки. Захоронення призводить до того, що міцний фторполімер залишається в навколишньому середовищі та потенційно розпадається на мікропластик, який забруднює ґрунт і джерела води-5. ПТФЕ та інші фторполімери можуть повністю розкладатися при спалюванні при температурі 850 градусів або вище, але це споживає багато енергії та несе ризик вивільнення пер- і поліфторалкільних речовин (ПФАС) – стійких «вічних хімікатів», які можуть залишатися в навколишньому середовищі десятиліттями3-.

Під час механічної переробки весь нагрівач подрібнюється на частинки змішаного матеріалу, що призводить до низького-виходу. Забруднення металом знижує якість фракції PTFE, а забруднення PTFE знижує коефіцієнт відновлення металевого сердечника. Глобальний рівень вторинної переробки фторполімерів становить лише 3,4 % підкреслює масштаб цієї проблеми–5 Розробка для розбирання, важливий принцип циклічної економіки, також допомагає переконатися, що несумісні матеріали не поєднуються з самого початку, і не вимагає складних процесів розділення.

Новий прорив у хімічній переробці
Нові дослідження Університетів Ньюкасла та Бірмінгема продемонстрували чисту, низько{0}}енергетичну техніку руйнування PTFE, яка використовує механічну силу та металевий натрій при кімнатній температурі, без необхідності високотемпературного спалювання чи використання отруйних розчинників-1. Ця технологія подрібнює відходи PTFE з металевим натрієм у кульовому млині, розриваючи міцні зв’язки вуглецю-фтору з утворенням фториду натрію-стабільної доброякісної солі, яка використовується в зубній пасті-і вуглецю-4. Це великий крок для переробки хімічних речовин, але рішення з відокремлюваним ядром вирішує цю проблему, тому сміття змішаних матеріалів навіть не утворюється.

Концепція дизайну роздільного ядра
Концепція роздільної серцевини передбачає, що обігрівач складається з двох-роз’ємних вузлів, які працюють разом, замість постійного вбудовування металевого сердечника в оболонку з PTFE під час виробничого процесу.

Механічний дизайн
Ідея базується на принципах нагрівальних елементів байонетного-типу та патронних нагрівачів. Оболонка з PTFE виготовляється у вигляді порожнистої труби або контурної форми – жорсткої фторполімерної оболонки з точними внутрішніми розмірами. Металевий нагрівальний елемент, виконаний у вигляді окремого патронного блоку, складається з резистивного дроту в теплопровідному середовищі і укладений в металеву оболонку. Картридж ковзає в порожнисту оболонку з ПТФЕ, встановлюючи електричний контакт на кінці клеми, і утримується на фланці знімним ущільненням або ковпачком з різьбою.

Однак у цій концепції дизайну є кілька проблем. Достатня ефективність теплопередачі вимагає, щоб металевий елемент дуже щільно прилягав до внутрішньої стінки PTFE оболонки. Тонкий шар теплопровідної пасти також можна нанести на межу розділу, щоб усунути повітряні проміжки (основне завдання термопасти — усунути повітряні проміжки в області розділу, щоб максимізувати передачу та розсіювання тепла). Паста повинна бути стабільною при робочій температурі нагрівача (зазвичай 80-100 градусів) без розкладання або вимивання забруднюючих речовин у ванну.

Інша інженерна проблема – ущільнення клеми. Ущільнювач має бути достатньо стійким, щоб запобігти будь-якому проникненню корозійних парів ванни в міжфазний зазор під час роботи, але повністю розбірним наприкінці--життя. Можливими альтернативами є компресійні фітинги з прокладками з ПТФЕ, різьбові ковпачки з ущільнювальними кільцями O- або швидкороз’ємні затискачі з елементами ущільнення.

Розбирання в кінці терміну служби
Коли термін служби обігрівача закінчується, процес відбувається у зворотному порядку. Роз’ємне ущільнення відкривається, металевий сердечник витягується з PTFE оболонки, і два матеріали готові до окремої переробки. Металевий сердечник, який зазвичай виготовляється з нікель-хромового опорного дроту, мідних провідників і сталі або матеріалів оболонки Incoloy, можна обробити за допомогою традиційних процесів переробки металу без ризику забруднення PTFE. Тепер оболонка є єдиним компонентом PTFE без інтегрованого металу і може бути спрямована на спеціалізовані процеси переробки фторполімерів, включаючи досліджувані механохімічні технології.

Драйвери: економічні та екологічні
Повернення матеріальної вартості
Знімна конструкція звільняє багато матеріальної цінності, яка сьогодні втрачена. Металевий сердечник наповнений дорогоцінними сплавами: нікель-хромовим (NiCr) дротом із опором і міддю для електричних з’єднань, а також часто нержавіючої сталі або інколою для оболонки картриджа. Ці метали, відновлені як чистий однопоточний-матеріал, мають брухтову вартість, набагато більшу, ніж подрібнення-змішаного матеріалу. Для великих промислових клієнтів з десятками або сотнями нагрівачів PTFE загальна відновлена ​​вартість може допомогти компенсувати частину витрат на заміну.

Крім того, сам PTFE має додаткову цінність, якщо його відновити незабрудненим. Чисті відокремлені відходи PTFE можна використовувати для виробництва мікропорошків PTFE, які будуть використовуватися як добавки до мастильних матеріалів, чорнила та конструкційних пластмас. Крім того, його можна деполімеризувати назад до мономерів, таких як тетрафторетилен (TFE) для повторної полімеризації у свіжий PTFE-3.

Корпоративний і регуляторний тиск на сталість
У кількох країнах режими розширеної відповідальності виробника (EPR) покладають на виробників відповідальність за-управління -життєвим ресурсом їхніх продуктів-33. Ремонтопридатність, довговічність і придатність до переробки-33 були виділені в політиці продукту в Плані дій Європейського Союзу з циклічної економіки. Оскільки ці стандарти поширюються від споживчої електроніки до промислового обладнання, виробники обігрівачів, які пропонують відокремлювані конструкції, що підлягають переробці, матимуть кращі можливості для відповідності.

Кінцеві -користувачі промисловості, зокрема компанії, що займаються виробництвом автомобілів, електроніки та напівпровідників, дедалі частіше встановлюють вимогливі цілі щодо перенаправлення відходів і кругообігу. Розбирання--життєвого ресурсу обладнання стає потребою в закупівлях. Ці цілі безпосередньо підтримуються нагрівачем із тефлону з роздільною-сердцею, при цьому клієнти повідомляють про чисте відновлення матеріалів, а не про утилізацію змішаних відходів.

Розгляд вартості/вигоди
Рознімна конструкція здорожує виготовлення. Екструзію суцільних нагрівальних профілів легше та дешевше виготовити, ніж порожнисті оболонки з ПТФЕ, які повинні підтримувати однакові внутрішні розміри. Для знімних ущільнень і різьбових з’єднань потрібна додаткова механічна обробка та контроль якості. застосування теплопровідної пасти при складанні додає витрати витратних матеріалів. Витрати на виробництво збільшуються через більш високі допуски на точність у виробничому процесі.

Однак численні фактори протидіють цим додатковим витратам:

Це може означати, що плата за розширену відповідальність виробника за продукти зі змішаних матеріалів є вищими, ніж за конструкції, які явно придатні для переробки.

Вартість відновленого металу зі знімного сердечника може бути зарахована кінцевому -користувачу або відшкодована виробнику.

Нижча плата за одно-потокові елементи, ніж за змішане небезпечне сміття.

Розширені повноваження щодо сталого розвитку вимагають високої ціни та переваг клієнтів на екологічно чутливих ринках.

Насправді для великих користувачів загальна вартість володіння може бути нижчою, якщо враховувати витрати на утилізацію та кредити за відновлений матеріал.

Сучасний стан і шлях уперед
Фаза прототипу
ПТФЕ-нагрівачі з роздільними-сердцевинами все ще здебільшого перебувають у режимі-проектування прототипу та спеціального{1}}проекту. Кілька виробників спеціальних нагрівачів перевірили--концептуальні розробки для лабораторних і пілотних застосувань, але ця технологія ще не є комерційно доступною для звичайного нагрівання промислових резервуарів.

Основна технічна проблема полягає в підтримці ефективності теплового контакту протягом тисяч температурних циклів без погіршення стану поверхні розділу або провідної пасти. Оболонка значно розширюється та стискається зі змінами температури, оскільки PTFE має високий коефіцієнт теплового розширення (приблизно від 120 до 200 × 10-6/градус). Металевий сердечник розширюється з певною швидкістю (сталь ~11-13x10-6/градус C). Підтримка хорошого теплового інтерфейсу протягом цього диференціального руху без фреттингу, утворення зазорів або міграції пасти є актуальною інженерною проблемою.

Інтеграція з новими технологіями переробки
Конструкція роздільного сердечника не є конкурентом технологіям хімічної переробки, а скоріше доповнює їх. Конструкція-для-розбирання дає змогу механічно відокремлювати, щоб отримати чисту окрему-матеріальну сировину, яку згодом можна переробити за допомогою найбільш відповідного шляху переробки. Металевий сердечник відправляється на традиційні металургійні заводи. Оболонку з ПТФЕ можна спрямувати на механохімічну переробку або інші нові -процеси деполімеризації з низьким споживанням енергії, такі як метод-натрієвого-кулькового-подрібнення при-температурі навколишнього середовища, розроблений Університетом Ньюкасла та Університетом Бірмінгема, який є схемою циклічної економіки для фтору1-4.

Суть справи
Конструкція обігрівача з ПТФЕ, що підлягає повторній переробці, є реальним кроком до циклічної економіки для промислового опалення завдяки можливості переробки металевого сердечника з полімерної оболонки. Ці конструкції полегшують чисте розбирання наприкінці-життєвого терміну, перетворюючи проблему утилізації-суміші матеріалів, які важко та дорого відокремити-на можливість отримання ресурсів, коли метали повертаються на плавильні заводи, а фторполімерні оболонки відправляються на спеціальні потоки переробки. Інженерні проблеми підтримки термічної ефективності та цілісності ущільнення під час експлуатації великі, але не непереборні. Ринковий попит на опалювальне обладнання, яке явно підлягає вторинній переробці, зростатиме лише завдяки регулятивному тиску та корпоративним екологічним зобов’язанням. Екологічна обізнаність стає все більшою частиною технічних інновацій, і нагрівач із тефлону з роздільною серцевиною- є прикладом того, як промислове обладнання може бути розроблено не лише для продуктивності, але й для другого життя.