Imperatív hmotnosti v letectve
Systémy chemického spracovania lietadiel a kozmických lodí-povrchová úprava na ochranu proti korózii, čistiace roztoky pre súčasti motora, kvapaliny na reguláciu teploty-vyžadujú obmedzenie, ktoré sa nevyskytuje v pozemných-chemických závodoch: každý kilogram hmotnosti zariadenia priamo znižuje kapacitu užitočného zaťaženia. Na komerčnom lietadle ušetrený kilogram predstavuje úsporu paliva približne 500 USD počas životnosti lietadla. Na kozmickej lodi sa štartovacie náklady na kilogram na nízku obežnú dráhu Zeme pohybujú od 2 500 do 5 000 USD.
Výmenníky tepla patria medzi ťažšie komponenty v systémoch spracovania chemických látok v letectve. Ich hmotnosť je určená hustotou materiálu, požadovanou povrchovou plochou pre tepelné zaťaženie a potrebnou konštrukčnou podporou. Zliatina titánu-paládia (Ti-0,2Pd, trieda 7) je štandardnou kovovou voľbou pre výmenníky tepla pre letectvo a kozmonautiku odolných voči korózii. Kombinuje odolnosť titánu proti korózii so zvýšenou pasivitou z paládia.
PTFE ponúka radikálne zníženie hmotnosti. Hustota materiálu je 2 200 kg/m³ oproti 4 510 kg/m³ pre titán-paládium-menej ako polovicu. V kombinácii s elimináciou ťažkých kovových zberačov a nosných konštrukcií je inštalovaná hmotnosť PTFE výmenníka tepla zvyčajne 15-25 % ekvivalentu titán-paládium.
Porovnanie rozdelenia hmotnosti
Porovnanie hmotnosti ilustruje 30 kW výmenník tepla na chemické spracovanie v letectve. Titánová-paládiová jednotka je kompaktný škrupinový-a{4}}trubkový dizajn s teplovýmennou plochou 1,0 m². Jednotka PTFE vyžaduje 3,5 m² povrchu na dodanie rovnakého výkonu pri ekvivalentnej LMTD kvôli nižšej tepelnej vodivosti.
Napriek tomu, že vyžaduje 3,5-násobok povrchovej plochy, PTFE jednotka váži podstatne menej. Rúry PTFE vážia 1,8 kg (3,5 m² × 0,8 mm stena × 2 200 kg/m³). PTFE hlavice a nosný rám pridávajú 3,5 kg. Celková suchá hmotnosť PTFE: 5,3 kg.
Titánové-paládiové trubice vážia 4,5 kg (1,0 m² × 1,0 mm stena × 4 510 kg/m³). Titánový plášť, rúrkové plechy a nosný rám pridávajú 22 kg. Celková suchá hmotnosť titánu-paládia: 26,5 kg.
| Parametre hmotnosti | titán-paládium (7. stupeň) | PTFE |
|---|---|---|
| Plocha pre výkon 30 kW (m²) | 1.0 | 3.5 |
| Hustota materiálu rúrky (kg/m³) | 4,510 | 2,200 |
| Hrúbka steny rúry (mm) | 1.0 | 1.0 |
| Hmotnosť rúry (kg) | 4.5 | 1.8 |
| Hmotnosť hlavy/škrupiny (kg) | 15 | 2.0 |
| Hmotnosť nosného rámu (kg) | 7 | 1.5 |
| Celková suchá hmotnosť (kg) | 26.5 | 5.3 |
| Pomer hmotnosti{{0} k-zaťaženiu (kg/kW) | 0.88 | 0.18 |
| Inštalovaná hmotnosť (vrátane potrubných spojov, kg) | 32 | 8 |
| Pokuta za užitočné zaťaženie vo výške 3 000 USD/kg štartovacích nákladov | $96,000 | $24,000 |
Kaskáda konštrukčných a inštalačných váh
Hmotnostná výhoda PTFE presahuje samotný výmenník tepla. Titánová-paládiová jednotka s hmotnosťou 26,5 kg v suchom stave vyžaduje konštrukčné upevňovacie body dimenzované na statickú hmotnosť plus dynamické zaťaženie spôsobené vibráciami a manévrovaním. Konštrukcia lietadla alebo kozmickej lode musí byť lokálne zosilnená, aby podporila túto koncentrovanú hmotu. Konštrukčné vystuženie pridáva hmotu, ktorá prechádza dizajnom vozidla.
Jednotka PTFE s hmotnosťou 5,3 kg môže byť podopretá samotnou konštrukciou nádrže alebo minimálnou konzolou. Rozložené ľahké zaťaženie nevyžaduje lokálne konštrukčné vystuženie. Inštalačná hmotnosť,-ktorá zahŕňa potrubné spoje, izoláciu a konštrukčné príslušenstvo,-je približne jedna-štvrtina hmotnosti inštalácie z titánu-paládia.
Celková pokuta za užitočné zaťaženie za inštaláciu PTFE je približne 24 000 USD pri nákladoch na komerčné spustenie v porovnaní s 96 000 USD za titánový-paládiový systém. Úspora kapacity užitočného zaťaženia vo výške 72 000 USD na výmenník tepla je významným faktorom pri návrhu leteckého systému.
Synergia korózie a údržby
Hmotnostná výhoda PTFE je doplnená o odolnosť proti korózii. Titán-paládium, hoci je vysoko odolné, nie je imúnne voči všetkým chemikáliám z leteckého priemyslu. Niektoré fluórované hydraulické kvapaliny, kyslé čistiace roztoky a zmiešané rozpúšťadlá môžu napadnúť pasívny film. Každá korózia, ktorá si vyžaduje výmenu výmenníka tepla, má za následok nielen náklady na zariadenie, ale aj zníženie užitočného zaťaženia v dôsledku spustenia výmeny.
Univerzálna chemická inertnosť PTFE eliminuje{0}}výmenu spôsobenú koróziou. Výmenník tepla inštalovaný pri uvedení vozidla do prevádzky zostáva v prevádzke počas životnosti vozidla. Pokuta za užitočné zaťaženie pre náhradné výmenníky tepla-uložené vo vozidle alebo spustené ako náhradné-je eliminované.
Zhrnutie
Výmenníky tepla z PTFE ponúkajú pomer hmotnosti-k{1}}výkonu približne 4,9-krát priaznivejší ako titánová-zliatina paládia na chemické spracovanie v letectve a kozmickom priestore-0,18 kg/kW oproti 0,88 kg/kW inštalovanej hmotnosti. Zníženie hmotnosti je dosiahnuté napriek nižšej tepelnej vodivosti PTFE vyžadujúcej väčšiu plochu povrchu, pretože nízka hustota fluoropolyméru a eliminácia štruktúr ťažkých kovov viac než kompenzujú. Kapacita užitočného zaťaženia ušetrená-približne 72 000 USD na výmenník tepla pri nákladoch na komerčné uvedenie na trh – je presvedčivým faktorom pri navrhovaní leteckých systémov.
Technická podpora pre návrh ľahkého PTFE výmenníka tepla v leteckých aplikáciách je k dispozícii po predložení tepelnej záťaže, prevádzkovej teploty a tlaku, chémie procesných kvapalín a obmedzení hromadného rozpočtu.
