Com es compara la conductivitat tèrmica d'un tub de PTFE sòlid amb un tub PFA de-paret fina en un intercanviador?

Tant el PTFE com el PFA són excel·lents aïllants tèrmics. La conductivitat tèrmica intrínseca en brut d'ambdós materials és només de 0,2 W/m·K. En aquest nivell la diferenciació entre ells és insignificant. El terme "millor tèrmicament" s'utilitza sovint per descriure un tub d'intercanviador de calor PFA versus un de PTFE. Per què? La resposta no està en la capacitat del material per conduir la calor sinó en la seva resistència mecànica perquè l'enginyer pugui canviar radicalment la geometria del propi tub.

Aquest article ofereix una comparació de la conductivitat tèrmica del tub de PTFE sòlid i PFA de paret prima per a un intercanviador de calor de carcassa i tub. La investigació descobreix que el rendiment tèrmic d'un material està influenciat tant per les qualitats mecàniques del material com per les seves constants tèrmiques.

Mateixa conductivitat, comportament mecànic diferent
La similitud de la conductivitat tèrmica
El PTFE (politetrafluoroetilè) i el PFA (perfluoroalcoxi alcà) són fluoropolímers i tenen nivells de conductivitat tèrmica molt baixos i molt iguals:

PTFE: al voltant de 0,23-0,25 W/(m·K) a temperatura ambient

PFA: ~0,19 – 0,22 W/(m·K) a temperatura ambient

La diferència està dins de la incertesa de mesura i la variància de fabricació. Per a tots els propòsits pràctics, una paret d'1 mm de PTFE i una paret d'1 mm de PFA són iguals en resistència a la calor conductora. Si els dos materials s'utilitzen en les mateixes geometries de tubs, el rendiment de transferència de calor seria el mateix.

Disparitat mecànica: força i resistència a la fluència
Les conductivitats tèrmiques són gairebé idèntiques però les característiques mecàniques no ho són. El PFA és un material significativament més fort, més rígid i més resistent que el PTFE. Les distincions notables inclouen:

Propietat PTFE PFA
Resistència a la tracció, MPa 20–30 25–35
Mòdul de flexió (GPa) 0,5 a 0.7 0.6 a 0,8
Resistència a la fluència (a 100 graus) Bona Excel·lent
Màx. temperatura contínua 200 graus 260 graus
Aquests avantatges mecànics permeten una nova forma de tub tèrmicament millor.

Com la resistència mecànica permet una paret més fina
Càlcul de la pressió nominal i del gruix de la paret
El gruix de paret necessari d'un tub d'intercanviador de calor està determinat per la pressió de disseny, el diàmetre del tub i la tensió admissible del material. Per a una determinada pressió interna o externa, el gruix mínim de la paret és inversament proporcional a la resistència a la tracció i a la-resistència a la fluència a llarg termini del material. Els codis de disseny per a recipients a pressió (per exemple, ASME Secció VIII o l'AD 2000 alemany) donen les equacions:

S = S ⋅ P D ⋅ E t = 2 ⋅ S ⋅ E − 1 . 2 P P ⋅ D

t és el gruix de la paret, P és la pressió de disseny, D és el diàmetre del tub, S és la tensió admissible i E és un factor d'eficiència de la junta.

El PFA té una resistència a la tracció lleugerament superior, però, el que és més important, una resistència molt més forta a la fluència (deformació depenent del temps{0}} sota esforç sostingut). Per tant, es pot atribuir a PFA una tensió permesa més gran durant la vida útil de disseny de l'intercanviador. Això es tradueix directament en una paret del tub més prima.

PFA de paret prima versus PTFE de paret gruixuda
Per a un diàmetre de tub específic (per exemple 10 mm OD) i una pressió de disseny habitual a la indústria (per exemple, 5 bar a 150 graus), els gruixos de paret necessaris són de l'ordre de:

Tub de PTFE: 1,5-2,5 mm (es necessita un marge de seguretat més alt a causa de la baixa resistència a la fluència)

Tub PFA de 0,8-1,2 mm (PFA no canvia de dimensió amb l'estrès a llarg termini, més prim és millor)

Així, un tub de PFA pot tenir una paret que sigui gairebé la meitat del gruix d'un tub de PTFE similar.

La comparació de resistència tèrmica és el gruix dominant
Fórmula per a la resistivitat
La resistència tèrmica conductora d'una paret de tub per unitat d'àrea és:

��R=kt​

on t és el gruix de la paret i k és la conductivitat tèrmica del material. Tots dos materials tenen més o menys el mateix valor de \\kappa. Per tant, la relació de resistències tèrmiques és proporcional a la relació dels gruixos de les parets.

Tub de PTFE (paret 2,0 mm): 𝛼=0.002/0,23≈0,0087 m2K/W𝑅=0.002/0,23≈0,0087m2K/W

Tub de PFA (paret d'1,0 mm): $ sortida{R}=0.001/0,22 oaprox 0,0045~m^2K/W$

El tub de PTFE sòlid condueix la resistència gairebé el doble que el tub de -paret fina de PFA. Això augmenta directament el coeficient de transferència de calor global (valor U-) de l'intercanviador de calor.

Impacte en el valor U-total
En un intercanviador de calor de líquid-líquid convencional, la major part de la resistència tèrmica global es deu a les capes de fluid-laterals del tub i de la carcassa-. Però en el cas de fluids o gasos viscosos la resistència de la paret del tub és una part important del total. El tub de PFA de paret prima pot reduir la meitat de la resistència de la paret i millorar el valor U global en un 10-30% en comparació amb un tub de PTFE sòlid amb el mateix diàmetre, depenent de les circumstàncies del flux.

El do tèrmic de PFA no es troba en la seva composició molecular, sinó en la seva capacitat de convertir-se en una paret fina-que amb prou feines impedeix el flux de calor. La conductivitat del material en si no és gens especial. El material és mecànicament fort i, per tant, tèrmicament millor.

Importància de la -resistència a la fluència del rendiment a llarg termini
Preserveu el gruix al llarg del temps
Si la paret d'un tub és prima per començar, només és bo si es manté així durant la vida útil de l'intercanviador. El PTFE és conegut per la fluïdesa: la capacitat de distorsionar-se lentament sota estrès sostingut. Sota pressió interna, un tub de PTFE sòlid augmentarà lentament de diàmetre i disminuirà el gruix de la paret. Això provoca un augment de la resistència a la calor i pot provocar la ruptura del tub. El PFA s'arrossega molt menys i durant anys en condicions idèntiques es manté dins de les seves dimensions inicials. El PFA té una excel·lent resistència a la fluència i, per tant, conserva el seu avantatge de-paret fina durant la vida útil del disseny de l'intercanviador.

Consideracions del codi de disseny
La tensió admissible s'ha de rebaixar per als materials que es desplacen, d'acord amb les normes de disseny dels recipients a pressió. En el cas del PTFE, la tensió admissible a temperatures elevades sovint es pren molt baixa per permetre la fluïdesa, de manera que es requereixen parets més gruixudes. Per a PFA, podeu anar a un estrès permissible més gran i tenir parets més primes. Aquesta no és una característica del material que es mesura directament per conductivitat tèrmica, però apareix en els coeficients del material del codi. Això té un efecte enorme en la geometria final del tub.

Consideracions pràctiques en el disseny d'intercanviadors
Quan optar per PTFE sòlid
El tub de PTFE sòlid segueix sent una bona opció si:

pressió de disseny molt baixa (per exemple, serveis atmosfèrics o de condensació de baixa pressió)

El diàmetre del tub és petit (per exemple, 3-6 mm) per al qual la diferència de gruix de paret necessària és menor

El fluid del procés és molt agressiu i qualsevol perill de variació lleugera de la resistència química dels PFA (tot i que tots dos són excel·lents) no és acceptable.

L'intercanviador és barat i no térmicament sensible

Quan la PFA de-paret fina és millor
El tub de-paret fina de PFA és el tub preferit quan:

L'eficiència de la transferència de calor és crucial (un major valor U-significa menys superfície necessària)

La pressió de disseny és superior a 3-4 bar

La temperatura de funcionament és superior a 200 graus (valoració continuada més alta de PFA)

Requisit: llarga vida útil sense l'aprimament de la paret induït per fluència{0}

Consideracions de cost i fabricació
Els tubs de PFA es fabriquen generalment per extrusió o per termoretràctil-. El tub de -paret prima de PFA és més fràgil que el tub de-paret gruixuda de PTFE i s'ha de recolzar amb cura per evitar l'enfonsament o torsió. El gruix de paret més petit, però, redueix la quantitat de fluoropolímer per unitat de longitud de tub, compensant parcialment el cost més elevat de la matèria primera del PFA.

Conclusió: la resistència mecànica com a avantatge tèrmic ocult
El PFA és superior al PTFE en un intercanviador de calor, no perquè el PFA sigui un conductor més fort, sinó perquè la seva resistència mecànica permet una paret molt més fina i, per tant, més transparent tèrmicament. Els dos materials tenen valors de conductivitat tèrmica comparables, però el tub de PFA de paret fina-és capaç d'obtenir una resistència conductora significativament menor, de vegades la meitat de la d'un tub de PTFE sòlid. Aquesta reducció del valor U-general es tradueix directament en intercanviadors de calor més petits, més lleugers i més rendibles. El rendiment tèrmic òptim normalment no és la conductivitat tèrmica més alta, sinó el material amb la resistència mecànica més alta. Per als treballs corrosius que requereixen tubs de fluoropolímer, l'elecció entre PTFE i PFA s'ha de fer en funció del gruix de la paret requerit, que està determinat per la pressió, la temperatura i la resistència a la fluència, no per la petita diferència en la seva capacitat intrínseca de transferir calor.