Vruća, korozivna struja procesa je na 150 stepeni. PTFE, klasični fluoropolimer za izmjenjivače topline, potpuno je neprikladan na ovoj temperaturi; omekšalo bi i propalo. PFA, njegov bliski hemijski srodnik, savršeno je udoban. Oba materijala su vrhunski izolatori, a njihova sirova, suštinska sposobnost da provode toplotu je skoro identična. Termička pobjeda PFA izmjenjivača na 150 stepeni nije zato što je bolji provodnik, već jednostavno zato što je i dalje čvrsta, jaka cijev na toj temperaturi, omogućavajući izmjenu topline koju PTFE ne može ni pokušati. RazumevanjePFA vs PTFE koeficijent prenosa toplote 150 stepenipoređenje zahtijeva gledanje dalje od broja toplotne provodljivosti i fokusiranje na maksimalnu radnu temperaturu.

Toplotna provodljivost: Gotovo identičan izolator

Toplotna provodljivost i PTFE (politetrafluoroetilena) i PFA (perfluoroalkoksi alkana) je u rasponu od 0,20-0,25 W/m·K pri tipičnim temperaturama procesa. Ove vrijednosti se gotovo ne razlikuju za inženjerske svrhe. Pri istoj debljini stijenke (npr. 1 mm za cijev malog prečnika ili 2 mm za veći izmjenjivač školjke i cijevi), vodljivi toplinski otpor cijevi napravljene od bilo kojeg materijala bit će u suštini isti. Stoga je ukupni koeficijent prijenosa topline (U-vrijednost) PFA izmjenjivača sličan koeficijentu PTFE izmjenjivača za ekvivalentni dizajn-pod pretpostavkom da oba rade unutar svojih temperaturnih granica.

Ključna, ogromna prednost PFA je njegova viša kontinuirana radna temperatura od 260 stepeni, u poređenju sa praktičnom granicom PTFE-a za rad grejača ili izmenjivača toplote, koja je približno 110-120 stepeni u vodenom okruženju (i nešto viša u nekim suvim ili neoksidirajućim uslovima). Ovo omogućava PFA izmjenjivaču da obrađuje tekućine na 150 stupnjeva, koristeći mnogo veću logaritamsku srednju temperaturnu razliku (LMTD) za isti rad, što rezultira manjim i isplativijim izmjenjivačem topline. Pobjeda nije u broju provodljivosti, već u sposobnosti materijala da se pojavi u borbi.

PFA pobjeđuje u termalnoj bitci ne tako što je brži trkač, već time što mu je uopće dozvoljeno na stazi. Na 150 stepeni, PTFE nije konkurent-već je napustio teren.

Zašto se PTFE ne može koristiti na 150 stepeni u servisu izmenjivača

Mehaničko omekšavanje i puzanje

PTFE počinje da omekšava i gubi mehaničku čvrstoću iznad približno 110-120 stepeni u neprekidnom uranjanju. Dok PTFE ima teoretsku tačku topljenja od 327 stepeni, on prolazi kroz kristalnu fazu na oko 19 stepeni i drugu na oko 30 stepeni, a iznad 100 stepeni amorfni delovi postaju sve pokretljiviji. U izmjenjivaču topline, gdje su cijevi izložene unutrašnjem pritisku, vanjskom pritisku i naponima toplinskog širenja, PTFE cijevi na 150 stepeni će puzati, deformirati se i na kraju se srušiti ili puknuti. Materijal također pokazuje visok koeficijent toplinske ekspanzije (otprilike 10 puta veći od čelika), što dovodi do pretjeranog progiba cijevi i mehaničkog zamora na povišenim temperaturama.

Praktično iskustvo

Iskustvo na terenu i smjernice proizvođača postavljaju granicu sigurnog kontinuiranog rada za cijevi izmjenjivača topline PTFE na 110 stupnjeva za većinu korozivnih vodenih usluga. Za kratke izlete do 120 stepeni, neki dizajni mogu biti prihvatljivi, ali 150 stepeni je čvrsto izvan sigurnog omotača. Nasuprot tome, PFA zadržava svoj mehanički integritet i hemijsku otpornost do 260 stepeni, bez faznih prelaza koji uzrokuju dimenzijsku nestabilnost.

Ukupni koeficijent prijenosa topline (U-vrijednost) na 150 stepeni

Slična U-vrijednost u ekvivalentnom dizajnu

Za hipotetički scenario u kojem bi PTFE mogao preživjeti na 150 stepeni, U-vrijednost PFA izmjenjivača i PTFE izmjenjivača s identičnom geometrijom (prečnik cijevi, debljina stijenke, raspored cijevi i brzine fluida) bi bila skoro ista. Provodni otpor zida cijevi je samo jedna komponenta ukupnog toplinskog otpora. Ostale komponente -konvekcija na strani cijevi, konvekcija na strani ljuske i otpori na zagađivanje- su identični za ista svojstva i brzine fluida. Budući da su toplotne provodljivosti PTFE i PFA praktički identične, U-vrijednost se razlikuje za manje od 5%.

Praktična prednost: Veći LMTD

Budući da PTFE ne može raditi na 150 stepeni, praktično poređenje nije između dva materijala na istoj temperaturi. Umjesto toga, PFA izmjenjivač se može koristiti za hlađenje struje od 150 stupnjeva sa, na primjer, vodom za hlađenje od 30 stepeni, proizvodeći LMTD od približno 80-100 stepeni. PTFE izmjenjivač, ograničen na ulaznu temperaturu vruće strane od 110 stepeni, imao bi LMTD od samo 40-50 stepeni za istu rashladnu vodu. Za prijenos istog toplotnog opterećenja, PTFE izmjenjivač bi zahtijevao otprilike duplo veću površinu-ako bi uopće mogao raditi. U stvarnosti, opcija PTFE jednostavno je nedostupna za tako visoku temperaturu.

Praktične smjernice za odabir

Zaključak: Opstanak kao odlučujući faktor

Poređenje između PFA i PTFE izmjenjivača na visokim temperaturama je jednostavno pitanje preživljavanja, a ne sirovih termičkih performansi. Na 150 stepeni, PTFE omekšava, puzi i nestaje, dok PFA ostaje jak, stabilan i hemijski inertan. Ukupni koeficijenti prijenosa topline ova dva materijala su gotovo identični pri istoj debljini stijenke, ali ta činjenica je irelevantna jer se PTFE ne može koristiti na toj temperaturi. PFA je termalni šampion jednostavno zato što može podnijeti toplinu. Najbolji materijal je onaj koji još uvijek stoji na temperaturi procesa, a za korozivnu struju od 150 stepeni, PFA je taj materijal.