Một dòng quá trình ăn mòn nóng ở nhiệt độ 150 độ. PTFE, chất fluoropolymer cổ điển dùng cho bộ trao đổi nhiệt, hoàn toàn không phù hợp ở nhiệt độ này; nó sẽ mềm đi và thất bại. PFA, họ hàng hóa học gần gũi của nó, hoàn toàn thoải mái. Cả hai vật liệu đều là chất cách điện tuyệt vời và khả năng dẫn nhiệt bên trong của chúng gần như giống nhau. Chiến thắng nhiệt của bộ trao đổi PFA ở 150 độ không phải vì nó là chất dẫn tốt hơn mà đơn giản vì nó vẫn là một ống rắn, chắc chắn ở nhiệt độ đó, cho phép thực hiện nhiệm vụ trao đổi nhiệt mà PTFE thậm chí không thể thực hiện được. Hiểu biết vềHệ số truyền nhiệt PFA và PTFE 150 độviệc so sánh đòi hỏi phải nhìn xa hơn chỉ số dẫn nhiệt và tập trung vào nhiệt độ sử dụng tối đa.

Độ dẫn nhiệt: Một chất cách điện gần giống nhau

Độ dẫn nhiệt của cả PTFE (polytetrafluoroethylene) và PFA (perfluoroalkoxy alkane) đều nằm trong khoảng 0,20–0,25 W/m·K ở nhiệt độ quy trình thông thường. Những giá trị này hầu như không thể phân biệt được cho mục đích kỹ thuật. Ở cùng độ dày thành (ví dụ: 1 mm đối với ống có đường kính nhỏ hoặc 2 mm đối với bộ trao đổi vỏ và ống lớn hơn), điện trở nhiệt dẫn điện của ống làm từ một trong hai vật liệu về cơ bản là như nhau. Do đó, hệ số truyền nhiệt tổng thể (giá trị U) của bộ trao đổi PFA tương tự như hệ số truyền nhiệt của bộ trao đổi PTFE cho thiết kế tương đương-giả sử cả hai đều được vận hành trong giới hạn nhiệt độ tương ứng của chúng.

Ưu điểm vượt trội của PFA là nhiệt độ sử dụng liên tục cao hơn 260 độ, so với giới hạn thực tế của PTFE đối với bộ gia nhiệt ngâm hoặc bộ trao đổi nhiệt, xấp xỉ 110–120 độ trong môi trường nước (và cao hơn một chút trong một số điều kiện khô hoặc không oxy hóa). Điều này cho phép bộ trao đổi PFA xử lý chất lỏng ở nhiệt độ 150 độ, sử dụng chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) lớn hơn nhiều cho cùng một nhiệm vụ, dẫn đến bộ trao đổi nhiệt nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Chiến thắng không nằm ở con số dẫn điện mà nằm ở khả năng của vật liệu thể hiện trong cuộc chiến.

PFA chiến thắng trong trận chiến nhiệt không phải nhờ là người chạy nhanh hơn mà bằng cách được phép đi trên đường đua. Ở 150 độ , PTFE không phải là đối thủ cạnh tranh-nó đã rời khỏi lĩnh vực này.

Tại sao PTFE không thể được sử dụng ở nhiệt độ 150 độ trong dịch vụ trao đổi nhiệt

Làm mềm cơ học và leo

PTFE bắt đầu mềm đi và mất độ bền cơ học trên khoảng 110–120 độ khi ngâm liên tục. Trong khi PTFE có điểm nóng chảy lý thuyết là 327 độ, nó trải qua quá trình chuyển pha tinh thể ở khoảng 19 độ và một pha khác ở khoảng 30 độ, và trên 100 độ, các vùng vô định hình ngày càng trở nên linh hoạt. Trong bộ trao đổi nhiệt, nơi các ống chịu áp suất bên trong, áp suất bên ngoài và ứng suất giãn nở nhiệt, các ống PTFE ở 150 độ sẽ bị rão, biến dạng và cuối cùng bị sập hoặc vỡ. Vật liệu này cũng có hệ số giãn nở nhiệt cao (khoảng 10 lần so với thép), dẫn đến độ võng của ống quá mức và mỏi cơ học ở nhiệt độ cao.

Kinh nghiệm thực tế

Kinh nghiệm hiện trường và hướng dẫn của nhà sản xuất đặt giới hạn vận hành liên tục an toàn cho các ống trao đổi nhiệt PTFE ở 110 độ đối với hầu hết các dịch vụ chứa nước có tính ăn mòn. Đối với những chuyến du ngoạn ngắn lên tới 120 độ, một số thiết kế có thể được chấp nhận, nhưng 150 độ chắc chắn nằm ngoài giới hạn an toàn. Ngược lại, PFA duy trì tính toàn vẹn cơ học và khả năng kháng hóa chất lên tới 260 độ, không có sự chuyển pha gây mất ổn định kích thước.

Hệ số truyền nhiệt tổng thể (Giá trị U) ở 150 độ

Giá trị U tương tự ở thiết kế tương đương

Đối với kịch bản giả định trong đó PTFE có thể tồn tại ở nhiệt độ 150 độ, giá trị U của bộ trao đổi PFA và bộ trao đổi PTFE có hình học giống hệt nhau (đường kính ống, độ dày thành, bố cục ống và vận tốc chất lỏng) sẽ gần như giống nhau. Điện trở dẫn của thành ống chỉ là một thành phần của điện trở nhiệt tổng thể. Các thành phần khác-đối lưu phía ống, đối lưu phía vỏ và khả năng cản tắc nghẽn-giống hệt nhau về cùng đặc tính và vận tốc chất lỏng. Do độ dẫn nhiệt của PTFE và PFA gần như giống nhau nên giá trị U chênh lệch nhỏ hơn 5%.

Lợi thế thực tế: LMTD lớn hơn

Bởi vì PTFE không thể hoạt động ở 150 độ nên việc so sánh thực tế không phải là giữa hai vật liệu ở cùng nhiệt độ. Thay vào đó, bộ trao đổi PFA có thể được sử dụng để làm mát dòng 150 độ, chẳng hạn như nước làm mát 30 độ, tạo ra LMTD khoảng 80–100 độ. Bộ trao đổi nhiệt PTFE, được giới hạn ở nhiệt độ đầu vào phía nóng là 110 độ, sẽ có LMTD chỉ từ 40–50 độ cho cùng một loại nước làm mát. Để truyền cùng một công suất nhiệt, bộ trao đổi PTFE sẽ cần diện tích bề mặt gần gấp đôi{11}}nếu có thể hoạt động. Trên thực tế, tùy chọn PTFE đơn giản là không khả dụng ở nhiệt độ cao như vậy.

Hướng dẫn lựa chọn thực tế

Kết luận: Sự sống còn là yếu tố quyết định

Việc so sánh giữa PFA và bộ trao đổi PTFE ở nhiệt độ cao chỉ đơn giản là vấn đề sống còn chứ không phải hiệu suất nhiệt thô. Ở 150 độ, PTFE mềm đi, rão và hỏng, trong khi PFA vẫn bền, ổn định và trơ về mặt hóa học. Hệ số truyền nhiệt tổng thể của hai vật liệu gần như giống nhau ở cùng độ dày thành, nhưng thực tế đó không liên quan vì không thể sử dụng PTFE ở nhiệt độ đó. PFA là nhà vô địch về nhiệt đơn giản vì nó có thể chịu nhiệt. Vật liệu tốt nhất là vật liệu vẫn còn ở nhiệt độ quy trình và đối với dòng ăn mòn 150 độ, PFA là vật liệu đó.