Как се сравнява общият коефициент на топлопреминаване на PFA обменник с PTFE при 150 градуса?

Горещ, корозивен процесен поток при 150 градуса. PTFE е типичният флуорополимер за топлообменници, но е напълно неподходящ при тази температура, той ще отслабне и ще се повреди. Неговият близък химически братовчед PFA е напълно приятен. И двата материала са много добри изолатори и тяхната сурова, основна способност да провеждат топлина е почти сходна. Термичното предимство на PFA обменника при 150 градуса не се дължи на това, че той е превъзходен проводник, а просто защото при тази температура той все още е здрава, здрава тръба, способна да изпълнява задача за топлообмен, за която PTFE дори не може да си помисли. За да се разбере сравнението на коефициента на топлопреминаване на PFA спрямо PTFE при 150 градуса, трябва да се погледне отвъд числото на топлопроводимостта и да се съсредоточи върху максималната работна температура.

Топлопроводимост: почти идеален изолационен материал
Топлинната проводимост както на PTFE (политетрафлуоретилен), така и на PFA (перфлуороалкокси алкан) е в диапазона от 0,20 до 0,25 W/m·K при типични температури на обработка. За инженерни цели тези числа са практически неразличими. Проводимото термично съпротивление на тръба, съставена от двата материала, ще бъде практически еднаква за една и съща дебелина (напр. 1 mm за тръба с малък диаметър или 2 mm за по-голям кожухотръбен обменник). Следователно общият коефициент на топлопреминаване (U-стойност) на PFA топлообменник е подобен на този на PTFE топлообменник със същия дизайн, стига и двата да се използват в рамките на съответните им температурни ограничения.

Основното преобладаващо предимство на PFA е по-високата непрекъсната работна температура от 260 градуса в сравнение с практическата граница на PTFE за потопяем нагревател или топлообменник, която е около 110-120 градуса във водни среди (и малко по-висока в някои сухи или неокисляващи условия). Това позволява на PFA топлообменник да работи при 150 градуса с много по-голяма логаритмична средна температурна разлика (LMTD) за същата работа, което води до по-малък и по-икономичен топлообменник. Победата не е в количеството проводимост, а в способността на материала да се покаже в битката.

PFA печели горещината, не защото работи по-бързо, а защото е позволено на пистата. При 150 градуса PTFE не е конкурент - той вече е напуснал полето.

Защо PTFE не е подходящ за обслужване на топлообменник при 150 градуса
Механично омекване и пълзене
При продължително използване на потапяне, PTFE започва да отслабва и губи своята механична якост при около 110–120 градуса. PTFE има теоретична точка на топене от 327 градуса, но претърпява промяна на кристалната фаза при около 19 градуса и отново при около 30 градуса, като аморфните зони започват да придобиват подвижност при температури над 100 градуса. PTFE тръбите при 150 градуса ще пълзят, деформират се и в крайна сметка ще се срутят или счупят в топлообменниците, където тръбите са подложени на вътрешно налягане, външно налягане и сили на топлинно разширение. Материалът също има висок коефициент на топлинно разширение (около 10 пъти по-голям от този на стоманата), което причинява прекомерно увисване на тръбите и механична умора при високи температури.

Прак{0}}практически опит
PTFE топлообменните тръби обикновено са определени от производителите и полевия опит да имат безопасна непрекъсната работна граница от 110 градуса за повечето корозивни водни услуги. Някои дизайни може да са подходящи за кратки пътувания до 120 градуса, но 150 градуса е доста над безопасния диапазон. Обратно, PFA запазва своята механична цялост и химическа устойчивост до 260 градуса, без фазовите промени, които причиняват нестабилност на размерите.

Общ коефициент на топлопреминаване (U-стойност) при 150 градуса
Еквивалентен дизайн, подобна U-стойност
Във въображаем случай, в който PTFE може да бъде стабилен при 150 градуса, U-стойността на PFA топлообменник и PTFE топлообменник със същите геометрични параметри (диаметър на тръбата, дебелина на стената, оформление на тръбата и скорости на флуида) би била доста подобна. Електрическото съпротивление на стената на тръбата е само част от общото термично съпротивление. Другите съпротивления (конвекция и замърсяване от страната-на тръбата и -на обвивката) са еднакви за същите характеристики и скорости на флуида. Топлинната проводимост на PTFE и PFA е почти сравнима, така че U-стойността има разлика от не повече от 5%.

Практическо предимство: По-висок LMTD
Практическото сравнение не е два материала при еднаква температура, тъй като PTFE не може да работи при 150 градуса. Вместо това PFA топлообменник може да се използва за охлаждане на поток от 150 градуса с, например, 30 градуса охлаждаща вода, което дава LMTD от около 80-100 градуса. За същата охлаждаща вода, PTFE топлообменник, ограничен до входяща температура на горещата страна от 110 oC, би имал LMTD от само 40-50 oC. Тефлоновият топлообменник би се нуждаел от почти два пъти по-голяма повърхност, за да свърши същата работа по пренос на топлина – ако изобщо може да работи. Но опцията PTFE всъщност не съществува за толкова висока температура.

Практически съвети за избор
Параметър PTFE обменник PFA обменник
Макс. непрекъсната работна температура (водна) 110-120 градуса 260 градуса
Топлопроводимост при 150 градуса Не е приложимо (материалът не работи) ~0,22 W/mK U-стойност (при идентична геометрия и същите температури на флуида в диапазона на PTFE) Базово ниво Сравнимо (±5%)
U-стойност (гореща страна 150 градуса) Дизайн и LMTD Не е възможно
Относителна цена (на единица площ) По-ниска По-висока (15-30 премия)
Подходящ за високотемпературни корозивни услуги Да Не
Извод: Това е въпрос на оцеляване
Предимството на PFA пред PTFE топлообменник при високи температури не е суровата топлинна ефективност, а въпрос на оцеляване. PTFE омеква, пълзи и се проваля при 150 градуса, докато PFA е здрав, стабилен и химически инертен. Общите коефициенти на топлопреминаване на двата материала са практически еднакви при една и съща дебелина на стената, но това няма значение, тъй като PTFE не може да се използва при тази температура. PFA е термичният шампион, може да издържи на жегата. Оптималният материал е този, който все още стои при температурата на процеса и за 150 градуса корозивен поток PFA е този материал.