זרם תהליך חם ומאכל הוא ב-150 מעלות. PTFE, הפלואורופולימר הקלאסי למחלפי חום, אינו מתאים לחלוטין בטמפרטורה זו; זה יתרכך ויכשל. PFA, קרוב משפחתו הכימי, נוח לחלוטין. שני החומרים הם מבודדים מעולים, והיכולת הגולמית והטבעית שלהם להוביל חום כמעט זהה. הניצחון התרמי של מחליף PFA ב-150 מעלות אינו בגלל שהוא מוליך טוב יותר, אלא פשוט בגלל שהוא עדיין צינור מוצק וחזק בטמפרטורה זו, המאפשר חילופי חום ש-PTFE לא יכול אפילו לנסות. הבנת המקדם העברת חום PFA לעומת PTFE 150 מעלותהשוואה מחייבת הסתכלות מעבר למספר המוליכות התרמית והתמקדות בטמפרטורת השירות המקסימלית.

מוליכות תרמית: מבודד כמעט זהה

המוליכות התרמית של PTFE (polytetrafluoroethylene) ו-PFA (perfluoroalkoxy alkane) היא בטווח של 0.20-0.25 W/m·K בטמפרטורות תהליך טיפוסיות. כמעט ולא ניתן להבחין בין ערכים אלו למטרות הנדסיות. באותו עובי דופן (למשל, 1 מ"מ עבור צינור בקוטר קטן או 2 מ"מ עבור מחליף מעטפת וצינורות גדולים יותר), ההתנגדות התרמית המוליכה של צינור העשוי מכל אחד מהחומרים תהיה זהה בעצם. לכן, מקדם העברת החום הכולל (ערך U) של מחליף PFA דומה לזה של מחליף PTFE עבור עיצוב שווה ערך-בהנחה ששניהם מופעלים בגבולות הטמפרטורה שלהם.

היתרון המרכזי והמכריע של PFA הוא טמפרטורת השירות הרציפה הגבוהה שלו של 260 מעלות, בהשוואה למגבלה המעשית של PTFE עבור שירות מחממי טבילה או מחליפי חום, שהיא בערך 110-120 מעלות בסביבות מימיות (ומעט גבוה יותר בתנאים יבשים או שאינם מחמצנים). זה מאפשר למחליף PFA לעבד נוזלים ב-150 מעלות, תוך שימוש בהפרש ממוצע לוגריתמי (LMTD) גדול בהרבה עבור אותה עבודה, מה שמביא למחליף חום קטן וחסכוני יותר. הניצחון הוא לא במספר המוליכות, אלא ביכולת של החומר להופיע לקרב.

PFA מנצח בקרב התרמי לא בהיותו רץ מהיר יותר, אלא בכך שהוא מותר לעלות על המסלול בכלל. ב-150 מעלות, PTFE אינו מתחרה-הוא כבר עזב את התחום.

מדוע לא ניתן להשתמש ב-PTFE ב-150 מעלות בשירות מחליף

ריכוך וזחילה מכניים

PTFE מתחיל להתרכך ולאבד חוזק מכני מעל כ-110-120 מעלות בשירות טבילה מתמשך. בעוד של-PTFE יש נקודת התכה תיאורטית של 327 מעלות, הוא עובר מעבר פאזה גבישי בכ-19 מעלות ועוד בסביבות 30 מעלות, ומעל 100 מעלות האזורים האמורפיים הופכים ניידים יותר ויותר. במחליף חום, שבו צינורות נתונים ללחץ פנימי, לחץ חיצוני ולחצי התפשטות תרמית, צינורות PTFE ב-150 מעלות יזחלו, יעוותו ובסופו של דבר יקרסו או יקרעו. החומר גם מציג מקדם התפשטות תרמית גבוה (כפי 10 מזה של פלדה), מה שמוביל לצניחת יתר של הצינור ועייפות מכנית בטמפרטורות גבוהות.

ניסיון מעשי

ניסיון בשטח והנחיות היצרן מציבים את מגבלת הפעולה הרציפה הבטוחה עבור צינורות מחליף חום PTFE ב-110 מעלות עבור רוב השירותים המימיים המאכלים. לטיולים קצרים של עד 120 מעלות, עיצובים מסוימים עשויים להיות מקובלים, אבל 150 מעלות נמצא בחוזקה מחוץ למעטפת הבטוחה. לעומת זאת, PFA שומר על שלמותו המכנית ועל העמידות הכימית שלו עד 260 מעלות, ללא מעברי פאזה הגורמים לאי יציבות מימדית.

מקדם העברת החום הכולל (U-Value) ב-150 מעלות

U-Value דומה בעיצוב שווה ערך

עבור תרחיש היפותטי שבו PTFE יכול לשרוד ב-150 מעלות, ערך ה-U של מחליף PFA ומחליף PTFE עם גיאומטריה זהה (קוטר צינור, עובי דופן, פריסת צינור ומהירויות נוזל) יהיה כמעט זהה. ההתנגדות המוליכה של דופן הצינור היא רק מרכיב אחד של ההתנגדות התרמית הכוללת. שאר הרכיבים-הסעת צד הצינור, הסעת צד המעטפת והתנגדויות הלכלוך- זהים לאותן תכונות ומהירויות נוזל. מכיוון שהמוליכות התרמית של PTFE ו-PFA זהות למעשה, ערך ה-U שונה בפחות מ-5%.

יתרון מעשי: LMTD גדול יותר

מכיוון ש-PTFE אינו יכול לפעול ב-150 מעלות, ההשוואה המעשית אינה בין שני חומרים באותה טמפרטורה. במקום זאת, ניתן להשתמש במחליף PFA לקירור זרם של 150 מעלות עם, למשל, מי קירור של 30 מעלות, המייצר LMTD של כ-80-100 מעלות. מחליף PTFE, מוגבל לטמפרטורת כניסה בצד חם של 110 מעלות, יהיה בעל LMTD של 40-50 מעלות בלבד עבור אותם מי קירור. כדי להעביר את אותה חובת חום, מחליף ה-PTFE ידרוש בערך פי שניים משטח הפנים-אם הוא יוכל לפעול בכלל. במציאות, אפשרות ה-PTFE פשוט אינה זמינה עבור טמפרטורה כה גבוהה.

הנחיות בחירה מעשיות

מסקנה: הישרדות כגורם המכריע

ההשוואה בין PFA למחליף PTFE בטמפרטורות גבוהות היא עניין פשוט של הישרדות, לא של ביצועים תרמיים גולמיים. ב-150 מעלות, PTFE מתרכך, זוחל ונכשל, בעוד שה-PFA נשאר חזק, יציב ואינרטי מבחינה כימית. מקדמי העברת החום הכוללים של שני החומרים כמעט זהים באותו עובי דופן, אך עובדה זו אינה רלוונטית מכיוון שלא ניתן להשתמש ב-PTFE בטמפרטורה זו. PFA הוא האלוף התרמי פשוט כי הוא יכול לסבול את החום. החומר הטוב ביותר הוא זה שעדיין עומד בטמפרטורת התהליך, ועבור זרם קורוזיבי של 150 מעלות, PFA הוא החומר הזה.