Kuidas on tahke PTFE toru soojusjuhtivus võrreldav soojusvaheti õhukese{0}}seina PFA toruga?
Jäta sõnum
Nii PTFE kui ka PFA on suurepärased soojusisolaatorid. Mõlema materjali toores sisemine soojusjuhtivus on vaid nõrk 0,2 W/m·K. Sellel tasemel on nende vaheline erinevus tähtsusetu. Terminit "termiliselt parem" kasutatakse sageli PFA soojusvaheti toru kirjeldamiseks PTFE toruga võrreldes. Miks? Vastus ei seisne mitte materjali võimes soojust juhtida, vaid selle mehaanilises tugevuses, nii et insener saab toru enda geomeetriat radikaalselt muuta.
Selles artiklis võrreldakse tahke PTFE ja õhukese seinaga PFA toru soojusjuhtivust kesta ja toru soojusvaheti jaoks. Uuringus leitakse, et materjali soojuslikkust mõjutavad võrdselt nii materjali mehaanilised omadused kui ka selle soojuskonstandid.
Sama juhtivus, erinev mehaaniline käitumine
Soojusjuhtivuse sarnasus
PTFE (polütetrafluoroetüleen) ja PFA (perfluoroalkoksüalkaan) on fluoropolümeerid ning neil on väga madal ja väga võrdne soojusjuhtivus:
PTFE: umbes 0,23–0,25 W/(m·K) ümbritseva õhu temperatuuril
PFA: ~0,19 – 0,22 W/(m·K) ümbritseva õhu temperatuuril
Erinevus on mõõtemääramatuses ja tootmise dispersioonis. Praktilistel eesmärkidel on 1 mm PTFE sein ja 1 mm PFA sein juhtiva kuumakindluse poolest võrdsed. Kui kahte materjali kasutataks sama toru geomeetriaga, oleks soojusülekande jõudlus sama.
Mehaaniline erinevus: tugevus ja libisemiskindlus
Soojusjuhtivus on peaaegu identne, kuid mehaanilised omadused mitte. PFA on oluliselt tugevam, jäigem ja roomamiskindlam materjal kui PTFE. Märkimisväärsed erinevused hõlmavad järgmist:
Kinnisvara PTFE PFA
Tõmbetugevus, MPa 20–30 25–35
Paindemoodul (GPa) 0,5 kuni 0.7 0.6 kuni 0,8
Roomamiskindlus (100 kraadi juures) Hea Suurepärane
Max pidev temperatuur 200 kraadi 260 kraadi
Need mehaanilised eelised võimaldavad toru uut, termiliselt paremat kuju.
Kuidas mehaaniline tugevus võimaldab õhemat seina?
Rõhu reiting ja seina paksuse arvutamine
Soojusvaheti toru vajamineva seinapaksuse määrab arvutuslik rõhk, toru läbimõõt ja materjali lubatud pinge. Antud sise- või välisrõhu korral on minimaalne seinapaksus pöördvõrdeline materjali tõmbetugevuse ja pikaajalise -libisemiskindlusega. Surveanumate projekteerimiskoodid (nt ASME VIII jaotis või Saksa AD 2000) annavad võrrandid:
S = S ⋅ P D ⋅ E t = 2 ⋅ S ⋅ E − 1 . 2 P P ⋅ D
t on seina paksus, P on arvutuslik rõhk, D on toru läbimõõt, S on lubatud pinge ja E on liite efektiivsustegur.
PFA-l on veidi suurem tõmbetugevus, kuid mis veelgi olulisem, palju suurem vastupidavus roomamisele (ajast-sõltuv deformatsioon püsiva pinge korral). Seetõttu võib PFA-le omistada suurema lubatud pinge soojusvaheti projekteeritud eluea jooksul. Selle tulemuseks on otseselt õhem torusein.
Õhukese seinaga PFA versus paksuseinaline PTFE
Toru kindla läbimõõdu (näiteks 10 mm OD) ja tööstuses levinud arvutusrõhu (näiteks 5 baari 150 kraadi juures) jaoks on nõutavad seinapaksused suurusjärgus:
PTFE toru: 1,5–2,5 mm (madala roomamiskindluse tõttu on vajalik suurem ohutusvaru)
0,8-1,2 mm PFA toru (PFA ei muuda mõõtmeid pikaajalise pinge korral, õhem on parem)
Seega võib PFA toru seina paksus olla peaaegu pool samalaadse PTFE toru paksusest.
Soojustakistuse võrdlus on domineeriv paksus
Takistuse valem
Toruseina juhtiv soojustakistus pindalaühiku kohta on:
��R=kt
kus t on seina paksus ja k on materjali soojusjuhtivus. Mõlemal materjalil on enam-vähem sama väärtus \\kappa. Seega on soojustakistuste suhe võrdeline seinte paksuste suhtega.
PTFE toru (sein 2,0 mm): 𝛼=0.002/0,23≈0,0087 m2K/W𝑅=0.002/0,23≈0,0087m2K/W
PFA toru (1,0 mm sein): $ väljund{R}=0.001/0,22 oca 0,0045 ~ m^2K/W$
Tahke PTFE toru juhib takistust peaaegu kaks korda rohkem kui õhukese seinaga PFA toru. See suurendab otseselt soojusvaheti üldist soojusülekandetegurit (U-väärtust).
Mõju U{0}}koguväärtusele
Tavalises vedelas{0}}soojusvahetis tuleneb suurem osa üldisest soojustakistusest toru-- ja kesta{2}}poolsetest vedelikukihtidest. Kuid viskoossete vedelike või gaaside puhul on toru seina takistus oluline osa kogusummast. Õhukese seinaga PFA toru võib sõltuvalt vooluoludest vähendada poole võrra seina takistust ja parandada üldist U-väärtust 10–30% võrreldes sama läbimõõduga tahke PTFE toruga.
PFA termiline kingitus ei seisne mitte selle molekulaarses ülesehituses, vaid võimes teha sellest tugev sosin{0}}õhuke sein, mis vaevu takistab soojuse liikumist. Materjali enda juhtivus pole midagi erilist. Materjal on mehaaniliselt tugev ja seega termiliselt parem.
Pikaajalise{0}}jõudluse libisemiskindluse tähtsus
Säilitage paksus aja jooksul
Kui toru sein on alustuseks õhuke, on see hea ainult siis, kui see jääb selliseks kogu soojusvaheti kasutusaja jooksul. PTFE on tuntud oma roomavuse poolest – võime moonduda aeglaselt püsiva pinge all. Sisemise rõhu all suureneb tahke PTFE toru läbimõõt aeglaselt ja seina paksus väheneb. Selle tulemuseks on kuumakindluse suurenemine ja see võib viia toru purunemiseni. PFA hiilib palju vähem ja jääb aastate jooksul samades tingimustes oma esialgsete mõõtmete piiresse. PFA-l on suurepärane roomamiskindlus ja seepärast säilitab see oma õhukese seina eelise kogu soojusvaheti konstruktsiooni eluea jooksul.
Disainikoodi kaalutlused
Lubatud pinget tuleb roomavate materjalide puhul vähendada vastavalt surveanuma projekteerimise eeskirjadele. PTFE puhul on lubatud pinge kõrgel temperatuuril sageli väga madal, et võimaldada libisemist, ja seetõttu on vaja paksemaid seinu. PFA puhul võite minna suurema lubatud pingeni ja omada õhemaid seinu. See ei ole materjali omadus, mida mõõdetakse otseselt soojusjuhtivuse järgi, kuid see kajastub koodi materjalikoefitsientides. Sellel on tohutu mõju toru lõplikule geomeetriale.
Praktilised kaalutlused soojusvaheti projekteerimisel
Millal valida tahke PTFE?
Tahked PTFE-torud on endiselt hea valik, kui:
väga madal kavandatud rõhk (nt atmosfääri- või madalrõhu kondensatsiooniteenused)
Toru läbimõõt on väike (nt 3–6 mm), mille jaoks vajalik seinapaksuse erinevus on väike
Protsessi vedelik on väga agressiivne ja PFA-de (kuigi mõlemad on suured) keemilise vastupidavuse veidi muutumise oht ei ole vastuvõetav.
Vaheti on odav ja mitte termiliselt tundlik
Kui õhukese{0}}seina PFA on parem
Õhukese{0}}seinaga PFA torud on eelistatud torud, kui:
Soojusülekande efektiivsus on ülioluline (suurem U{0}}väärtus tähendab, et vajatakse väiksemat pinda)
Projekteerimisrõhk on üle 3-4 baari
Töötemperatuur on kõrgem kui 200 kraadi (PFA kõrgem pidev reiting)
Nõue: pikk kasutusiga ilma libisemise{0}}indutseeritud seina õhenemiseta
Kulud ja tootmiskaalutlused
PFA-torud valmistatakse tavaliselt ekstrusiooni või kuum{0}}kahanemise teel. Õhukese-seinaga PFA torud on hapramad kui paksuseinalised-PTFE torud ja neid tuleb kokkuvarisemise või kõverdumise vältimiseks hoolikalt toetada. Väiksem seinapaksus aga vähendab fluoropolümeeri kogust toru pikkuse ühiku kohta, kompenseerides osaliselt PFA kõrgema toorainekulu.
Järeldus: mehaaniline tugevus kui varjatud termiline eelis
PFA on soojusvahetis parem kui PTFE mitte sellepärast, et PFA on tugevam juht, vaid seetõttu, et selle mehaaniline tugevus võimaldab palju õhemat ja seega ka termiliselt läbipaistvamat seina. Mõlemal materjalil on võrreldavad soojusjuhtivuse väärtused, kuid õhukese seinaga PFA toru suudab saavutada oluliselt madalama juhtivuse, mõnikord poole väiksema kui tahke PTFE toru. See üldise U-väärtuse vähenemine tähendab otseselt väiksemaid, kergemaid ja kulutõhusamaid soojusvahetiid. Optimaalne soojustõhusus ei ole tavaliselt kõrgeim soojusjuhtivus, vaid materjal, millel on kõrgeim mehaaniline tugevus. Söövitavate ülesannete puhul, mis nõuavad fluoropolümeertorusid, tuleks PTFE ja PFA vahel valida nõutava seinapaksuse alusel, mille määravad rõhk, temperatuur ja roomamiskindlus, mitte aga nende sisemise soojusülekandevõime väikese erinevuse järgi.
