ค่าการนำความร้อนของท่อ PTFE แบบแข็งเปรียบเทียบกับท่อ PFA แบบผนังบาง-ในตัวแลกเปลี่ยนอย่างไร

ทั้ง PTFE และ PFA เป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม ค่าการนำความร้อนจากภายในของวัสดุทั้งสองมีค่าเพียง 0.2 W/m·K เท่านั้น ในระดับนี้ความแตกต่างระหว่างพวกเขาไม่มีนัยสำคัญ คำว่า "ดีกว่าเชิงความร้อน" มักใช้เพื่ออธิบายท่อแลกเปลี่ยนความร้อน PFA เทียบกับท่อ PTFE ทำไม คำตอบไม่ได้อยู่ที่ความสามารถของวัสดุในการนำความร้อน แต่อยู่ที่ความแข็งแรงเชิงกลเพื่อให้วิศวกรสามารถเปลี่ยนรูปทรงของท่อได้อย่างรุนแรง

บทความนี้นำเสนอการเปรียบเทียบระหว่างการนำความร้อนของท่อ PFA แบบแข็งกับ PFA แบบผนังบางสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ การวิจัยพบว่าประสิทธิภาพทางความร้อนของวัสดุได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติทางกลของวัสดุอย่างเท่าเทียมกันกับค่าคงที่ทางความร้อนของวัสดุ

ค่าการนำไฟฟ้าเท่ากัน พฤติกรรมทางกลต่างกัน
ความคล้ายคลึงกันของการนำความร้อน
PTFE (polytetrafluoroethylene) และ PFA (perfluoroalkoxy alkane) เป็นฟลูออโรโพลีเมอร์และมีระดับการนำความร้อนต่ำมากและเท่ากันมาก:

PTFE: ประมาณ 0.23-0.25 W/(m·K) ที่อุณหภูมิแวดล้อม

PFA: ~0.19 – 0.22 W/(m·K) ที่อุณหภูมิแวดล้อม

ความแตกต่างอยู่ที่ความไม่แน่นอนในการวัดและความแปรปรวนของการผลิต เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด ผนัง PTFE 1 มม. และผนัง PFA 1 มม. มีความต้านทานความร้อนเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเท่ากัน หากใช้วัสดุทั้งสองในรูปทรงท่อเดียวกัน ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจะเท่ากัน

ความแตกต่างทางกล: ความแข็งแกร่งและความต้านทานต่อการคืบคลาน
ค่าการนำความร้อนเกือบจะเหมือนกันแต่คุณลักษณะทางกลไม่เหมือนกัน PFA เป็นวัสดุที่แข็งแกร่งกว่า แข็งกว่า และต้านทานการคืบคลานได้ดีกว่า PTFE อย่างเห็นได้ชัด ความแตกต่างที่โดดเด่น ได้แก่ :

คุณสมบัติ PTFE PFA
ความต้านแรงดึง MPa 20–30 25–35
โมดูลัสแรงดัดงอ (GPa) 0.5 ถึง 0.7 0.6 ถึง 0.8
ต้านทานการคืบคลาน (ที่ 100 องศา ) ดี ดีเยี่ยม
สูงสุด อุณหภูมิต่อเนื่อง 200 องศา 260 องศา
ข้อได้เปรียบทางกลเหล่านี้ทำให้ได้รูปทรงท่อใหม่ที่ระบายความร้อนได้ดีขึ้น

ความแข็งแรงทางกลทำให้ผนังบางลงได้อย่างไร
อัตราความดันและการคำนวณความหนาของผนัง
ความหนาของผนังที่ต้องการของท่อแลกเปลี่ยนความร้อนถูกกำหนดโดยความดันการออกแบบ เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ และความเค้นที่อนุญาตของวัสดุ สำหรับแรงดันภายในหรือภายนอกที่กำหนด ความหนาของผนังขั้นต่ำจะแปรผกผันกับความต้านทานแรงดึงและความต้านทานการคืบในระยะยาว-ของวัสดุ รหัสการออกแบบสำหรับภาชนะรับความดัน (เช่น ASME มาตรา VIII หรือ German AD 2000) ให้สมการ:

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

t คือความหนาของผนัง P คือความดันการออกแบบ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ S คือความเค้นที่อนุญาต และ E คือปัจจัยประสิทธิภาพร่วม

PFA มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่าเล็กน้อย แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือมีความต้านทานต่อการคืบคลานได้ดีกว่ามาก (เวลา{0}}การเปลี่ยนรูปขึ้นอยู่กับความเค้นต่อเนื่อง) ดังนั้น PFA จึงสามารถกำหนดความเค้นที่อนุญาตได้มากขึ้นตลอดอายุการออกแบบของเครื่องแลกเปลี่ยน ซึ่งส่งผลให้ผนังท่อบางลงโดยตรง

PFA ผนังบางกับ PTFE ผนังหนา
สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเฉพาะ (เช่น 10 มม. OD) และแรงดันการออกแบบทั่วไปในอุตสาหกรรม (เช่น 5 บาร์ที่ 150 องศา) ความหนาของผนังที่ต้องการคือ:

ท่อ PTFE: 1.5–2.5 มม. (จำเป็นต้องมีระยะความปลอดภัยสูงกว่าเนื่องจากความต้านทานการคืบต่ำ)

ท่อ PFA 0.8-1.2 มม. (PFA ไม่เปลี่ยนขนาดตามความเค้นในระยะยาว ทินเนอร์จะดีกว่า)

ดังนั้น ท่อ PFA จึงสามารถมีผนังที่มีความหนาเกือบครึ่งหนึ่งของท่อ PTFE ที่คล้ายกัน

การเปรียบเทียบความต้านทานความร้อนคือความหนาที่โดดเด่น
สูตรความต้านทาน
ความต้านทานความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของผนังท่อต่อหน่วยพื้นที่คือ:

��R=kt​

โดยที่ t คือความหนาของผนังและ k คือค่าการนำความร้อนของวัสดุ วัสดุทั้งสองมีค่า \\kappa เท่ากันไม่มากก็น้อย ดังนั้นอัตราส่วนของความต้านทานความร้อนจึงแปรผันตามอัตราส่วนความหนาของผนัง

ท่อ PTFE (ผนัง 2.0 มม.) : 𝛼=0.002/0.23γ0.0087 m2K/W𝑅=0.002/0.23γ0.0087m2K/W

ท่อ PFA (ผนัง 1.0 มม.): $ ออก{R}=0.001/0.22 หรือประมาณ 0.0045~m^2K/W$

ท่อ PTFE แบบแข็งนำความต้านทานได้เกือบสองเท่าของท่อ PFA แบบผนังบาง- ซึ่งจะเป็นการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ค่า U-) ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรง

ผลกระทบต่อมูลค่ารวม U-
ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของเหลว-ของเหลวทั่วไป ความต้านทานความร้อนโดยรวมส่วนใหญ่เกิดจากชั้นของเหลวด้านข้างของท่อ-และเปลือก- แต่ในกรณีของของเหลวหรือก๊าซที่มีความหนืด ความต้านทานของผนังท่อเป็นส่วนสำคัญของผลรวม ท่อ PFA ผนังบางสามารถลดความต้านทานของผนังได้ครึ่งหนึ่ง และปรับปรุงค่า U โดยรวมได้ 10–30% เมื่อเปรียบเทียบกับท่อ PTFE ตันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การไหล

ของขวัญด้านความร้อนของ PFA ไม่ได้อยู่ในโครงสร้างโมเลกุล แต่อยู่ที่ความสามารถในการทำให้เป็นผนังบางๆ ที่กระซิบกระซาบแรง- ซึ่งแทบจะไม่กีดขวางการไหลของความร้อนเลย ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุนั้นไม่มีอะไรพิเศษ วัสดุมีความแข็งแรงทางกลจึงทำให้ระบายความร้อนได้ดีกว่า

ความสำคัญของการต้านทานการคืบของประสิทธิภาพระยะยาว-
รักษาความหนาไว้เมื่อเวลาผ่านไป
หากผนังของท่อบางตั้งแต่แรก จะเป็นการดีก็ต่อเมื่อท่ออยู่อย่างนั้นตลอดอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE เป็นที่รู้จักในเรื่องการคืบ – ความสามารถในการบิดเบือนอย่างช้าๆ ภายใต้ความเครียดที่ยั่งยืน ภายใต้แรงกดดันภายใน ท่อ PTFE ที่เป็นของแข็งจะค่อยๆ เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและความหนาของผนังลดลง ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น และอาจนำไปสู่การแตกของท่อได้ PFA คืบคลานน้อยกว่ามากและในช่วงหลายปีที่ผ่านมาภายใต้เงื่อนไขที่เหมือนกันจะยังคงอยู่ในขนาดเริ่มต้น PFA มีความต้านทานการคืบที่ดีเยี่ยม ดังนั้นจึงยังคงรักษาข้อได้เปรียบของผนังที่บาง-เอาไว้ตลอดอายุการใช้งานของการออกแบบตัวแลกเปลี่ยน

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับโค้ดการออกแบบ
ความเค้นที่อนุญาตจะต้องลดลงสำหรับวัสดุที่คืบคลาน ตามระเบียบการออกแบบภาชนะรับความดัน ในกรณีของ PTFE ความเค้นที่อนุญาตได้ที่อุณหภูมิสูงมักจะต่ำมากเพื่อให้สามารถคืบได้ และดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีผนังที่หนาขึ้น สำหรับ PFA คุณสามารถรับความเครียดที่มากขึ้นและมีผนังที่บางลงได้ นี่ไม่ใช่คุณลักษณะของวัสดุที่วัดได้โดยตรงจากการนำความร้อน แต่จะแสดงในค่าสัมประสิทธิ์วัสดุของรหัส สิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อรูปทรงของท่อขั้นสุดท้าย

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยน
เมื่อใดควรเลือกใช้ Solid PTFE
ท่อ PTFE แบบแข็งยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีหาก:

แรงดันการออกแบบที่ต่ำมาก (เช่น บริการควบแน่นแรงดันบรรยากาศหรือแรงดันต่ำ)

เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อมีขนาดเล็ก (เช่น 3–6 มม.) ซึ่งความหนาของผนังที่ต้องการมีความแตกต่างกันเล็กน้อย

ของเหลวในกระบวนการมีฤทธิ์รุนแรงมาก และไม่ยอมรับอันตรายใดๆ จากการทนทานต่อสารเคมีที่แตกต่างกันเล็กน้อยของ PFA (ในขณะที่ทั้งคู่มีคุณภาพดีทั้งคู่)

ตัวแลกเปลี่ยนมีราคาถูกและไม่ไวต่อความร้อน

เมื่อ PFA ผนังบาง-ดีกว่า
ท่อ PFA แบบผนังบาง-คือตัวเลือกท่อเมื่อ:

ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ (ค่า U- ที่มากขึ้นหมายถึงต้องใช้พื้นที่ผิวน้อยลง)

แรงดันการออกแบบมากกว่า 3-4 บาร์

อุณหภูมิในการทำงานสูงกว่า 200 องศา (คะแนนต่อเนื่องที่สูงกว่าของ PFA)

ข้อกำหนด: อายุการใช้งานยาวนานโดยไม่มีการคืบ-ทำให้ผนังบางลง

ข้อควรพิจารณาด้านต้นทุนและการผลิต
โดยทั่วไป ท่อ PFA จะทำโดยการอัดขึ้นรูปหรือการขึ้นรูปด้วยความร้อน- ท่อ PFA แบบผนังบาง-มีความเปราะบางมากกว่าท่อ PTFE แบบผนังหนา- และจำเป็นต้องได้รับการรองรับอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันการยุบตัวหรือการหักงอ อย่างไรก็ตาม ความหนาของผนังที่น้อยกว่าจะช่วยลดปริมาณฟลูออโรโพลีเมอร์ต่อความยาวท่อหนึ่งหน่วย ซึ่งช่วยชดเชยต้นทุนวัตถุดิบที่สูงขึ้นของ PFA ได้บางส่วน

สรุป: ความแข็งแรงทางกลเป็นข้อได้เปรียบทางความร้อนที่ซ่อนอยู่
PFA นั้นเหนือกว่า PTFE ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ไม่ใช่เพราะ PFA เป็นตัวนำที่แข็งแกร่งกว่า แต่เนื่องจากความแข็งแรงเชิงกลของมันทำให้ผนังบางลงมาก และส่งผลให้ผนังมีความโปร่งใสทางความร้อนมากกว่า วัสดุทั้งสองมีค่าการนำความร้อนที่เทียบเคียงได้ แต่ท่อ PFA ที่มีผนังบาง-สามารถมีความต้านทานการนำไฟฟ้าต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบางครั้งจะต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของท่อ PTFE ที่เป็นของแข็ง การลดลงของค่า U- โดยรวมนี้แปลโดยตรงเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เล็กลง เบากว่า และคุ้มค่ากว่า โดยทั่วไปสมรรถนะทางความร้อนที่เหมาะสมจะไม่ใช่ค่าการนำความร้อนสูงสุด แต่เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงเชิงกลสูงสุด สำหรับงานที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งต้องใช้หลอดฟลูออโรโพลีเมอร์ ควรเลือกระหว่าง PTFE และ PFA โดยพิจารณาจากความหนาของผนังที่ต้องการ ซึ่งพิจารณาจากแรงดัน อุณหภูมิ และความต้านทานการคืบ - ไม่ใช่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างเล็กน้อยในความสามารถที่แท้จริงในการถ่ายเทความร้อน