Hvordan er den totale varmeoverføringskoeffisienten til en PFA-veksler sammenlignet med en PTFE en ved 150 grader?

Varm, etsende prosessstrøm ved 150 grader. PTFE er den typiske fluorpolymeren for varmevekslere, men er totalt uegnet ved denne temperaturen, den vil svekkes og svikte. Dens nære kjemiske fetter PFA er helt hyggelig. Begge materialene er svært gode isolatorer, og deres rå, grunnleggende evne til å lede varme er nesten lik. Den termiske fordelen med en PFA-veksler ved 150 grader skyldes ikke at den er en overlegen leder, men ganske enkelt fordi den ved den temperaturen fortsatt er et solid, sterkt rør, i stand til å utføre en varmevekslingsoppgave som PTFE ikke engang kan tenke på. For å forstå sammenligningen av PFA versus PTFE varmeoverføringskoeffisient ved 150 grader, må man se forbi termisk konduktivitetstallet og fokusere på maksimal driftstemperatur.

Termisk ledningsevne: Et nesten ideelt isolasjonsmateriale
Den termiske ledningsevnen til både PTFE (polytetrafluoretylen) og PFA (perfluoralkoksyalkan) er i området 0,20 til 0,25 W/m·K ved typiske prosesstemperaturer. For tekniske formål er disse tallene praktisk talt umulige å skille. Den ledende termiske motstanden til et rør som består av begge materialer vil være praktisk talt den samme for samme tykkelse (f.eks. 1 mm for et rør med liten diameter eller 2 mm for et større skall og rørveksler). Derfor er den totale varmeoverføringskoeffisienten (U--verdi) til en PFA-veksler lik den for en PTFE-veksler med samme design, så lenge begge brukes innenfor sine respektive temperaturbegrensninger.

Den største overordnede fordelen med PFA er den høyere kontinuerlige driftstemperaturen på 260 grader sammenlignet med den praktiske grensen for PTFE for bruk av el-varmer eller varmeveksler, som er omtrent 110-120 grader i vannholdige miljøer (og litt høyere i enkelte tørre eller ikke-oksiderende forhold). Dette gjør at en PFA-veksler kan operere ved 150 grader med en langt større logaritmisk middeltemperaturforskjell (LMTD) for samme jobb, noe som resulterer i en mindre og mer økonomisk varmeveksler. Gevinsten ligger ikke i mengden ledningsevne, men i materialets evne til å møte opp i kampen.

PFA vinner varmekrigen, ikke fordi den løper fortere, men fordi den er tillatt på banen. Ved 150 graders PTFE er ingen konkurrent - den har allerede forlatt banen.

Hvorfor PTFE ikke er egnet for varmevekslerservice ved 150 grader
Mekanisk mykgjøring og krypning
Ved kontinuerlig nedsenking begynner PTFE å svekkes og miste sin mekaniske styrke ved omtrent 110–120 grader. PTFE har et teoretisk smeltepunkt på 327 grader, men gjennomgår en krystallinsk faseendring ved rundt 19 grader og igjen ved ca. 30 grader, med de amorfe områdene som begynner å få mobilitet ved temperaturer over 100 grader. PTFE-rør ved 150 grader vil krype, deformere og til slutt kollapse eller bryte i varmevekslere der rør utsettes for indre trykk, ytre trykk og termiske ekspansjonskrefter. Materialet har også en høy termisk ekspansjonskoeffisient (omtrent 10 ganger den for stål) som forårsaker overdreven henging av rørene og mekanisk tretthet ved høye temperaturer.

Praktisk-erfaring
PTFE varmevekslerrør er generelt spesifisert av produsenter og felterfaring for å ha en sikker kontinuerlig driftsgrense på 110 grader for de fleste etsende vannholdige tjenester. Noen design kan være OK for korte turer opp til 120 grader, men 150 grader er godt over det sikre området. Motsatt beholder PFA sin mekaniske integritet og kjemiske motstand opp til 260 grader, uten faseendringene som forårsaker dimensjonal ustabilitet.

Total varmeoverføringskoeffisient (U-verdi) ved 150 grader
Ekvivalent design Lignende U-verdi
I et tenkt tilfelle der PTFE kan være stabilt ved 150 grader, vil U--verdien til en PFA-veksler og en PTFE-veksler med de samme geometriske parameterne (rørdiameter, veggtykkelse, rørlayout og væskehastigheter) være ganske lik. Den elektriske motstanden til rørveggen er bare en del av den totale termiske motstanden. Andre motstander (rør-side og skall-sidekonveksjon og begroing) er de samme for samme væskekarakteristikker og -hastigheter. Varmeledningsevnene til PTFE og PFA er nesten sammenlignbare, så U--verdien har en forskjell på ikke mer enn 5 %.

Praktisk fordel: Høyere LMTD
En praktisk sammenligning er ikke to materialer ved samme temperatur fordi PTFE ikke kan brukes ved 150 grader. I stedet kan en PFA-veksler brukes til å kjøle en 150 graders strøm med for eksempel 30 graders kjølevann, noe som gir en LMTD på ca 80-100 grader. For det samme kjølevannet vil en PTFE-veksler, begrenset til en innløpstemperatur på varm side på 110 oC, ha en LMTD på bare 40-50 oC. PTFE-veksleren ville trenge nesten det dobbelte av overflaten for å utføre den samme jobben med varmeoverføring – hvis den i det hele tatt kunne fungere. Men PTFE-alternativet eksisterer faktisk ikke for en så høy temperatur.

Praktiske tips for valg
Parameter PTFE-veksler PFA-veksler
Maks. kontinuerlig brukstemperatur (vandig) 110-120 grader 260 grader
Termisk ledningsevne @ 150 grader Ikke aktuelt (materiale svikter) ~0,22 W/mK U--verdi (ved identisk geometri og samme væsketemperaturer innenfor PTFEs område) Grunnlinje sammenlignbar (±5 %)
U-verdi (varm side 150 grader) Design og LMTD Ikke gjennomførbart
Kostnadsrelativ (per arealenhet) Lavere Høyere (15-30 premium)
Egnethet for høytemperaturkorrosiv serviceJa Nei
Konklusjon: Det er et spørsmål om å overleve
Fordelen med en PFA fremfor en PTFE-veksler ved høye temperaturer er ikke rå termisk ytelse, men et spørsmål om overlevelse. PTFE mykner, kryper og svikter ved 150 grader, mens PFA er seig, stabil og kjemisk inert. De totale varmeoverføringskoeffisientene til de to materialene er praktisk talt de samme ved samme veggtykkelse, men det spiller ingen rolle fordi PTFE ikke kan brukes ved den temperaturen. PFA er termisk mester, tåler varmen. Det optimale materialet er det som fortsatt står ved prosesstemperaturen og for en 150 graders korrosiv strøm er PFA det materialet.