Как предимството на топлопроводимостта на графита се превръща в по-малки, по-леки обменници?

Графитът провежда топлина над 300 пъти по-лесно от PTFE. Този единствен материален атрибут има далечни разклонения по отношение на размера, теглото и цената на топлообменника. Графитът е ефективно предаване на топлина през плътната сърцевина, а PTFE се нуждае от голяма повърхност, за да противодейства на изолационното си поведение. Това води до значително намаляване на отпечатъка на оборудването и структурните изисквания, което има пряко въздействие върху общите инсталирани разходи и гъвкавостта на разположението на инсталацията.

Разликата в проводимостта: PTFE срещу графит
Графитът обикновено има топлопроводимост от 80 до 120 W/m·K, което е подобно на топлопроводимостта на някои метали като въглеродна стомана или ниско-легирани стомани. PTFE, от друга страна, има топлопроводимост от около 0,25 W/m K, което е почти същото като пластмасовите изолационни материали. Това означава, че графитна стена с определена дебелина и температурен градиент провежда топлина повече от 300 пъти по-добре от PTFE.

Термичното съпротивление на PTFE топлообменника обикновено се определя от ниската проводимост на PTFE. Топлината трябва да премине през стената на тръбата, която, макар и тънка (често 1-2 мм), все пак представлява голяма пречка. Необходима е голяма повърхност, за да се получи необходимият общ топлопренос. Тази повърхност се постига от няколко дълги тръби с малък диаметър. Това води до обемисти тръбни снопове и огромни черупки.

Но в графитен топлообменник топлинният поток не се ограничава от самия материал. Доминиращите съпротивления са граничните слоеве на течността от двете страни. Така че при същите скорости на флуида и обстоятелства на замърсяване графитеният топлообменник може да има значително по-голям общ коефициент на топлопреминаване (U-стойност), отколкото PTFE модул.

Количествено определяне на намаляването на размера
Ефективният общ коефициент на топлопреминаване (U-стойност) е мярка за комбинираните ефекти на проводимостта на материала, дебелината на стената и покритието върху течността. За типична течна-течна работа с умерено замърсяване:

Графитен блок или кожух-и-тръбен топлообменник: U-стойностите често са в диапазона от 600 до 1200 W/m2K.

PTFE тръбни топлообменници: U-стойности обикновено между 200 и 400 W/m2.K.

Сравнение от среден{0}}обхват може да бъде, че графитен обменник може да има U-стойност три пъти по-висока от PTFE модул в същата услуга. Графитният дизайн се нуждае само от около една-трета от топлопреносната площ поради обратната пропорционалност между U и необходимата топлопреносна площ. Въпреки това, въздействието върху проводимостта е още по-очевидно в случай на по-големи коефициенти на филм-от страна на процеса (напр. кондензиращи пари или течности с висока-скорост), където съпротивлението на стената на тръбата- на PTFE става доминиращо. В такива случаи предимството на площта на графита може да бъде до фактор от пет до десет.

Това несъответствие в проводимостта води до драстичен резултат. Един качествен пример осигурява порядък на величината. Охлаждането на 100 kW гореща солна киселина от 80 градуса до 40 градуса с охлаждаща вода може да включва използването на PTFE обвивка-и-тръбен обменник с размерите на малък автомобил (напр. 2-3 m дължина, 0,6 m диаметър, със стотици тръби). Същата работа, която обменникът на графитени блокове би поел, може да се извърши с устройство с размер на голям куфар (напр. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Разликата в обема може да бъде 5:1 или повече.

Тегло и структурни последици
Колкото по-малък е физическият размер, толкова по-малко ще тежи. Графитен топлопроводим компактен топлообменник обикновено е 50-70% по-лек от PTFE обменник, изпълняващ същата термична функция. Вътрешното графитно ядро ​​заема по-малко място, което означава, че е необходим по-малко материал за корпуса (най-вече въглеродна стомана или неръждаема стомана). По-лекото оборудване изисква по-малко значителни структурни опори, спестява разходите за доставка и улеснява монтажа, особено на високи или претоварени места.

При приложения за преоборудване, където съществуващите основи или пътища за достъп ограничават наличното подово пространство, компактността на графитните топлообменници обикновено определя дали дори може да се инсталира устойчиво на корозия решение. PTFE топлообменниците изискват огромни отпечатъци и значителни разстояния за отстраняване на тръбния сноп и може просто да не се поберат на място със съществуваща тръба и оборудване.

Примери за приложения, при които компактността е важна
Фармацевтичната и фината химическа промишленост работят в скъпи чисти помещения или проверени условия. Всеки квадратен метър площ е скъп за изграждане и експлоатация. Графитните топлообменници позволяват на инженерите-технологи да монтират-високопроизводително охлаждане или отопление в тесни технологични плъзгачи, оставяйки място за друго оборудване. Малкият размер също така може да минимизира необходимия рейтинг на системите за отопление, вентилация и -климатизация (HVAC) за чиста среда.

Ограниченият достъп около резервоарите и конвейерните системи е често срещан при операциите по декапиране и повърхностна обработка. Графитните блокови топлообменници са възможни за закрепване директно към стените на резервоара или скрити под платформи. Пакетът от PTFE трябва да има отделна самостоятелна-обвивка с много тръбно-тръбно пространство.

Нисък мъртъв обем и бърза температурна реакция са необходими за производството на полупроводници и свръхчисти химикали. Компактният дизайн на графита минимизира задържания обем и подобрява контрола на процеса и намалява загубата на продукт по време на промяна на класа.

Кога да пожертвате компактността заради други съображения
Но има цена, която трябва да се плати за малкия дизайн на графитните обменници. Както е описано на други страници, графитът е крехък и не издържа на механичен удар или вибрации. PTFE, макар и по-голям по размер, осигурява устойчивост срещу воден удар и неправилно подравняване. PTFE, макар и по-голям, все още може да бъде опцията за приложения, където пространството не е проблем и механичната надеждност е важна.

Въпреки това, за всяко ново съоръжение или разширение, което се характеризира със скъпи недвижими имоти или плътно опаковани технологични плъзгачи, дизайнът на компактния топлообменник с висока графитна топлопроводимост често е най-икономичната алтернатива. По-малкият модул също така намалява обема на скъпите корпуси от сплав, фитинги за дюзи и изолация.

Заключение:
Голямото предимство на графита е, че той може да осигури високи скорости на топлопредаване в малка опаковка-, нещо, което PTFE просто не може да направи на основно ниво. Топлинна проводимост 300 пъти по-голяма от PTFE води до общи коефициенти на топлопреминаване от три до десет пъти по-високи и много по-малък и по-лек топлообменник може да изпълни дадена задача. Графитът е привлекателен за приложения като фармацевтична, фина химия и повърхностна обработка, където подовото пространство, структурното натоварване и разходите за монтаж са от решаващо значение. Изборът на материал трябва да включва не само химическа съвместимост, но и цялата инсталирана цена, като се вземат предвид пространството и структурните съображения. Компактността на Graphite не е само подобрение, когато съществуващо съоръжение е ограничено от размера на голям PTFE топлообменник, това може да е благоприятният фактор, който прави възможен устойчив на корозия{6}}пренос на топлина.