V preplnenom chemickom závode je podlahová plocha prémiou. Plášťový-a{2}}potrubný výmenník z PTFE určený na chladenie horúcou kyselinou môže zaberať pôdorys malého auta, čo si vyžaduje rozsiahle potrubie, konštrukčnú podporu a montážny priestor. Výmenník vyrobený z nepriepustného grafitového bloku, ktorý vykonáva rovnakú tepelnú funkciu, môže zaberať len zlomok tohto priestoru, niekedy dosť malý na to, aby sedel na laboratórnom stole. Rozdiel je spôsobený jedinou dominantnou vlastnosťou materiálu: tepelnou vodivosťou.
Innepriepustný grafit vs tepelná vodivosť PTFE, kontrast definuje nielen výkon, ale aj veľkosť zariadenia, hmotnosť a efektivitu rozloženia.
Tepelná vodivosť ako dizajn-obmedzujúca vlastnosť
Základná úloha pri dimenzovaní výmenníka tepla
Veľkosť výmenníka tepla sa riadi predovšetkým tým, ako efektívne sa tepelná energia prenáša cez stenu oddeľujúcu dve tekutiny. Vyššia tepelná vodivosť znižuje tepelný odpor, čo umožňuje:
Menšia plocha prenosu tepla
Kratšie dráhy toku
Kompaktnejšie geometrie
Znížený objem materiálu
Keď sa vodivosť dramaticky zvýši, architektúra výmenníka sa zmení zásadne a nie prírastkovo.
Porovnanie vodivosti materiálu
PTFE ako základná-vodivosť
PTFE vykazuje veľmi nízku tepelnú vodivosť približne:
~0.25 W/m·K
To zaraďuje PTFE medzi technicky najlepšie tepelne izolačné polyméry. V dôsledku toho:
Potrebné sú veľké plochy
Potrebné sú dlhé rúrky
Na zníženie odporu sa uprednostňujú tenkostenné -geometrie
Výmenníky PTFE sa zvyčajne spoliehajú na predĺžené zväzky rúrok na kompenzáciu zlého prenosu tepla cez samotný materiál.
Nepriepustný grafit ako vysoko{0}}vodivý materiál
Nepriepustné grafitové bloky vykazujú tepelnú vodivosť typicky v rozsahu:
80–120 W/m·K
Táto hodnota závisí od:
Stupeň grafitu
Štruktúra pórovitosti
Typ živicovej impregnácie použitej na tesnenie
Aj pri týchto variáciách zostáva vodivosť stokrát vyššia ako PTFE.
Grafit je tepelná superdiaľnica, kde PTFE je kľukatá vidiecka cesta a veľkosť výmenníka odráža rozdiel.
Štrukturálna forma a jej vplyv na kompaktnosť
Pevná bloková architektúra grafitových výmenníkov
Nepriepustný grafit sa nevyrába ako rúrka. Namiesto toho sa vyrába ako:
Pevný blok na báze uhlíka-
Presné-vŕtanie s vnútornými prietokovými kanálmi
Utesnené impregnáciou živicou na zabezpečenie chemickej odolnosti
Táto geometria umožňuje:
Husté balenie teplovýmennej plochy
Krátke vodivé cesty medzi kanálmi
Vysoká tuhosť konštrukcie v rámci kompaktného objemu
Výsledkom je výmenník, ktorý maximalizuje povrch na jednotku objemu.
Architektúra zväzkov PTFE rúrok
Výmenníky založené na PTFE-sa spoliehajú na:
Dlhé, tenké rúrky
Konfigurácie plášťa-a-rúr alebo blokov-rúr
Rozšírené prietokové cesty na kompenzáciu nízkej vodivosti
Táto architektúra vo svojej podstate vyžaduje:
Väčšia fyzická stopa
Väčší objem inštalácie
Zvýšené požiadavky na štrukturálnu podporu
Dôsledky tepelného výkonu
Požiadavka na oblasť prenosu tepla
Pretože grafit vedie teplo tak efektívne:
Požadovaná plocha prenosu tepla je dramaticky znížená
Hrúbka steny môže zostať relatívne malá bez zníženia výkonu
Tepelné gradienty naprieč materiálom sú minimalizované
Na rozdiel od toho PTFE vyžaduje znásobenie veľkého povrchu, aby sa dosiahla ekvivalentná prevádzka.
Reakcia na tepelné zaťaženie
Grafitové systémy zvyčajne vykazujú:
Rýchla tepelná odozva
Efektívny prenos energie cez kompaktné sekcie
Stabilné teplotné profily v obmedzených objemoch
PTFE systémy vykazujú:
Pomalší prenos tepla cez steny rúrok
Väčšie spoliehanie sa na prúdenie tekutiny-na strane
Väčšie teplotné rozdiely medzi materiálovými hranicami
Inžinierske-obchody
Výhody nepriepustného grafitu
Medzi hlavné výhody grafitových výmenníkov patria:
Výnimočná tepelná vodivosť (80–120 W/m·K)
Vysoko kompaktný pôdorys
Znížená hmotnosť zariadenia
Vysoká hustota povrchu
Vďaka týmto výhodám je grafit obzvlášť atraktívny v-inštaláciách s obmedzeným priestorom.
Obmedzenia grafitu
Napriek svojej tepelnej prevahe má grafit obmedzenia:
Krehké mechanické správanie
Citlivosť na náraz a tepelný šok
Znížená kompatibilita so silne oxidačnými kyselinami
Vyššie náklady na materiál a výrobu
Tieto obmedzenia obmedzujú okno aplikácie.
Výhody PTFE systémov
PTFE poskytuje:
Vynikajúca chemická inertnosť
Vynikajúca odolnosť voči agresívnym kyselinám vrátane HF
Mechanická flexibilita
Tolerancia vibrácií a tepelného pohybu
Vďaka týmto vlastnostiam je PTFE univerzálnejšie použiteľný v drsnom chemickom prostredí.
Úvahy o výbere aplikácie
Keď sa grafit stane preferovanou voľbou
Nepriepustný grafit sa zvyčajne vyberá, keď:
Dostupný inštalačný priestor je extrémne obmedzený
Chémia je ne-oxidujúca a kompatibilná s materiálmi na báze uhlíka-
V kompaktnej forme je potrebná vysoká tepelná účinnosť
Kapitálové náklady sú sekundárne pri znižovaní stopy
Keď je PTFE naďalej potrebný
PTFE zostáva nevyhnutný, keď:
Prítomná je kyselina fluorovodíková alebo silné oxidačné činidlá
Vyžaduje sa mechanická odolnosť
Systém musí tolerovať vibrácie alebo namáhanie pri manipulácii
Dlhá a flexibilná životnosť má prednosť pred kompaktnosťou
Záver
Rozdiel medzi nepriepustným grafitom a PTFE prenosom tepla je zásadne definovaný tepelnou vodivosťou. S hodnotami vodivosti približne 80–120 W/m·K v porovnaní s PTFE ~0,25 W/m·K umožňuje nepriepustný grafit výrazne menšie, ľahšie a kompaktnejšie konštrukcie výmenníkov vďaka pevnej, vŕtanej-blokovej architektúre.
Innepriepustný grafit vs tepelná vodivosť PTFE, voľbou je v konečnom dôsledku rovnováha medzi extrémnou kompaktnosťou a univerzálnou chemickou odolnosťou.
Obrovská výhoda nepriepustného grafitu v oblasti tepelnej vodivosti sa premieta priamo do vysoko kompaktných konštrukcií výmenníkov, čo z neho robí uprednostňované riešenie tam, kde priestor je konečným obmedzením a jeho použitie umožňuje chemická kompatibilita. Veľkosť výmenníka tepla v konečnom dôsledku odráža tepelný charakter jeho materiálu,-či už sa správa ako rýchla tepelná diaľnica alebo pomalá izolačná cesta.
