Com funciona un intercanviador de calor de PTFE en condicions de buit?

Per condensar els vapors en una columna de destil·lació al buit necessiteu un intercanviador de calor. El PTFE és ideal per al desagradable condensat, però es desgastarà al buit? Sobreviurà a la diferència de pressió sense col·lapsar-se? Quins elements de disseny particulars són necessaris per al servei de buit? Aquestes són preguntes que es fan sovint a les indústries de processament al buit on la resistència química s'ha de combinar amb un rendiment constant a pressions molt baixes. En la destil·lació al buit, la liofilització-i les cambres de simulació de l'espai-, el comportament del material d'intercanvi-de calor esdevé molt més important que en els sistemes atmosfèrics.

3. Canvi de regles de disseny amb l'operació al buit
Quan l'equip funciona sota buit, funciona de manera molt diferent. Les consideracions principals de disseny per a la majoria dels intercanviadors de calor a pressió atmosfèrica són la pressió interna, la resistència a la corrosió i l'eficiència tèrmica. En condicions de buit, però, el diferencial de pressió és generalment en sentit invers. L'intercanviador ha de ser capaç de resistir la pressió externa que intenta col·lapsar tubs, plaques o estructures de paret prima en lloc de la pressió interna.

Un altre gran problema és la desgasificació. Al buit, cada substància supera lentament els seus gasos atrapats, o les impureses superficials. L'alliberament de fins i tot petits volums de gas pot degradar la qualitat del buit, contaminar operacions sensibles o impactar la condensació de vapor. Per tant, un intercanviador de calor que funcioni bé en un sistema químic estàndard pot convertir-se en un problema quan s'utilitza en una cambra de buit o una màquina de destil·lació al buit.

El comportament tèrmic també canvia molt. Sense aire circumdant, per tant, no hi ha transferència de calor per convecció. La transferència de calor es fa gairebé completament per conducció a través de les parets de l'intercanviador i per reaccions de canvi de fase-dins dels tubs. Aquests canvis impliquen que un intercanviador de calor adequat per al funcionament atmosfèric pot no funcionar necessàriament amb eficàcia en servei al buit.

Comportament de desgasificació de PTFE al buit
El PTFE és un dels polímers més estables per a la configuració al buit. És molt resistent al deteriorament químic en la seva estructura molecular. No conté plastificants ni productes químics volàtils que s'evaporin fàcilment a baixa pressió. En conseqüència, la seva taxa de desgasificació inherent és molt inferior a la de molts altres polímers tècnics.

Però fins i tot una substància de baixa desgasificació pot causar problemes si no es prepara adequadament. Les superfícies de PTFE poden absorbir petites quantitats d'humitat de l'entorn i aquestes molècules s'alliberaran quan el sistema sigui evacuat. Aquesta versió pot alentir el-temps d'aturada de la bomba i perjudicar el rendiment del sistema en processos d'alt-buit. Per exemple, la desgasificació no desitjada pot influir en l'estabilitat del buit durant tot el cicle d'assecat en un sistema de liofilització-.

El que això significa a la pràctica és que s'aconsella que us prepareu tan bé com per triar el tema adequat. La desgasificació es pot reduir considerablement mitjançant una neteja a fons abans de la instal·lació i, si és possible, la cocció al buit a temperatura moderada. Cada material t'informarà de la seva desgasificació en condicions de buit. El PTFE funciona bé si es tracta i es manipula adequadament.

Integritat estructural a la càrrega externa
La resistència mecànica és generalment el problema més subestimat per a l'ús d'intercanviadors de calor de PTFE en sistemes de buit. El PTFE és flexible en comparació amb els metalls, el que el fa extremadament resistent a les esquerdes i a l'estrès tèrmic, però també està subjecte al risc de deformació dels tubs de PTFE-de paret fines sotmesos a pressió externa.

Si el costat del tub d'un intercanviador de calor està al buit i el costat de la carcassa està a pressió atmosfèrica, els tubs estan sotmesos a esforços de compressió, que poden provocar que es col·lapsen. Un tub que funcioni bé a pressió normal pot no funcionar si el diferencial és un buit total. En els intercanviadors més grans amb longituds de tub estesa sense suport, aquest risc és més pronunciat.

Un disseny adequat evita aquest risc. Una solució són parets més gruixudes de tubs. Aquest és especialment el cas on el nivell de buit és força elevat. Això es pot millorar amb suports interns o traves de tubs reduïdes. En alguns sistemes, els dissenyadors prefereixen una disposició de pressió equilibrada on els dos costats de l'intercanviador funcionen a nivells de pressió idèntics, disminuint així la tensió mecànica sobre els tubs. El tub que treballa a pressió atmosfèrica pot col·lapsar-se sota un disseny de buit en conseqüència.

Rendiment tèrmic al buit
Els canvis en la transmissió de calor també es produeixen en condicions de buit. En els sistemes tradicionals, la transferència de calor convectiva a l'aire circumdant és una de les raons del rendiment tèrmic global. Aquest mecanisme està completament absent al buit. L'intercanvi de calor s'ha de fer per conducció a través de la paret de PTFE i per contacte directe de l'intercanviador amb l'estructura circumdant.

El PTFE té una conductivitat tèrmica relativament baixa en comparació amb els metalls, la qual cosa fa que la superfície suficient sigui especialment crucial en aplicacions de buit. Els dissenyadors de vegades ho compensen augmentant el nombre de tubs o modificant el canal de flux per millorar l'eficiència de la transferència de calor. Per exemple, en els sistemes de destil·lació al buit, l'intercanviador ha de condensar amb èxit els vapors, la qual cosa depèn no només de la compatibilitat del material, sinó també de l'àrea efectiva de transferència de calor-.

Un altre avantatge del PTFE és l'estabilitat tèrmica. El material és resistent a la majoria de condensats corrosius i, com a resultat, manté un rendiment tèrmic constant fins i tot mentre es maneja vapors agressius que arruïnaria ràpidament els intercanviadors de calor metàl·lics.

Consideracions pràctiques del servei al buit
L'ús reeixit dels intercanviadors de calor de PTFE en sistemes de buit requereix un disseny i una preparació acurats. El primer que cal tenir en compte és el disseny de pressió. L'intercanviador s'ha d'especificar per a un servei complet de buit a ambdós costats o per a una configuració que minimitzi el diferencial de pressió. Això garanteix que el tub no es deformi i ofereix una llarga vida útil.

També és un procés d'instal·lació que hauria d'incloure la gestió de la desgasificació. Una neteja a fons de l'intercanviador abans de la instal·lació elimina qualsevol impuresa de la superfície que desgastaria al buit. Per a aplicacions més exigents, l'escalfament controlat al buit pot minimitzar encara més els gasos residuals i augmentar el rendiment.

La selecció del material és igualment important. El PTFE verge té generalment les taxes de desgasificació més baixes i la millor puresa química. Els graus farcits de PTFE poden ser adequats per a alguns usos industrials, però poden emetre més gasos o impureses en aplicacions d'alt-buit que el PTFE pur.

I, finalment, la integritat de la filtració és important. Fins i tot una petita fuita pot afectar el rendiment del buit. A les indústries de processament al buit, les proves de fuites d'heli són un mètode estàndard per comprovar que els segells i les connexions estan hermètics-a baixa pressió.

Resum
Un bon funcionament dels intercanviadors de calor de PTFE en circumstàncies de buit és possible sempre que estiguin ben dissenyats i configurats per a les condicions especials. Proporcionen una bona resistència química, una mínima desgasificació intrínseca, estabilitat tèrmica i són adequats per a cambres de buit especialitzades, sistemes de liofilització-i destil·lació al buit. Però perquè funcioni requereix una atenció acurada als diferencials de pressió, al disseny estructural i a la gestió de la desgasificació.

Tenint en compte aquestes característiques, els intercanviadors de calor de PTFE proporcionen la combinació inusual de resistència a la corrosió i compatibilitat amb el buit. Això els fa especialment útils en aplicacions on es necessita una combinació d'estabilitat química i capacitat de buit, un nínxol on pocs materials poden funcionar de manera tan fiable.