Jak przewaga grafitu w zakresie przewodności cieplnej przekłada się na mniejsze i lżejsze wymienniki?

Grafit przewodzi ciepło ponad 300 razy łatwiej niż PTFE. Ta jedna cecha materiału ma daleko idące konsekwencje w zakresie rozmiaru, wagi i kosztu wymiennika ciepła. Grafit skutecznie przenosi ciepło przez ciasny rdzeń, a PTFE wymaga dużej powierzchni, aby przeciwdziałać jego właściwościom izolacyjnym. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia powierzchni zajmowanej przez sprzęt i wymagań konstrukcyjnych, co ma bezpośredni wpływ na całkowity koszt instalacji i elastyczność układu instalacji.

Szczelina przewodności: PTFE kontra grafit
Grafit ma zwykle przewodność cieplną od 80 do 120 W/m·K, która jest podobna do przewodności cieplnej niektórych metali, takich jak stal węglowa lub stal-niskostopowa. Z drugiej strony PTFE ma przewodność cieplną około 0,25 W/m K, czyli mniej więcej tyle samo, co plastikowe materiały izolacyjne. Oznacza to, że ścianka grafitowa o określonej grubości i gradiencie temperatury przewodzi ciepło ponad 300 razy lepiej niż PTFE.

Opór cieplny wymiennika ciepła z PTFE jest zwykle regulowany przez niską przewodność PTFE. Ciepło musi przejść przez ściankę rury, która, choć cienka (często 1-2 mm), stanowi jednak poważną przeszkodę. Aby uzyskać niezbędny całkowity transfer ciepła, wymagana jest duża powierzchnia. Tę powierzchnię uzyskuje się za pomocą kilku długich rurek o małej średnicy. W rezultacie powstają nieporęczne wiązki rur i ogromne skorupy.

Ale w wymienniku grafitowym strumień ciepła nie jest ograniczony przez sam materiał. Dominującymi oporami są płynne warstwy graniczne po obu stronach. Zatem przy tych samych prędkościach płynu i warunkach zanieczyszczenia wymiennik grafitowy może mieć znacznie większy całkowity współczynnik przenikania ciepła (wartość U-) niż wymiennik PTFE.

Kwantyfikacja redukcji rozmiaru
Efektywny całkowity współczynnik przenikania ciepła (wartość U-) jest miarą połączonego wpływu przewodności materiału, grubości ścianki i powłoki na płynie. W przypadku typowego zadania związanego z cieczą-cieczą i umiarkowanym zanieczyszczeniem:

Wymiennik ciepła z bloków grafitowych lub płaszczowych-i-rurowych: wartości U-często mieszczą się w zakresie od 600 do 1200 W/m2K.

Wymienniki z rurką PTFE: wartości U-z reguły od 200 do 400 W/m2.K.

Porównanie średniego-zakresu mogłoby polegać na tym, że wymiennik grafitowy mógłby mieć wartość U-trzykrotnie wyższą niż jednostka PTFE w tym samym serwisie. Konstrukcja grafitowa wymaga tylko około-trzeciej powierzchni wymiany ciepła ze względu na odwrotną proporcjonalność między U a wymaganą powierzchnią wymiany ciepła. Jednakże wpływ przewodności jest jeszcze bardziej oczywisty w przypadku większych współczynników filmu-po stronie procesu (np. kondensujące pary lub-ciecze o dużej prędkości), gdzie dominuje-opór ścianki rury z PTFE. W takich przypadkach przewaga powierzchniowa grafitu może wynosić od pięciu do dziesięciu razy.

To niedopasowanie przewodności prowadzi do drastycznych rezultatów. Przykład jakościowy podaje rząd wielkości. Aby schłodzić 100 kW gorącego kwasu solnego z 80 do 40 stopni wodą chłodzącą, można zastosować wymiennik-z-rurowym z PTFE o wielkości małego samochodu (np. długość 2–3 m, średnica 0,6 m, z setkami rur). To samo zadanie, jakie wykonałby wymiennik bloków grafitowych, można wykonać za pomocą urządzenia wielkości dużej walizki (np. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Różnica głośności może wynosić 5:1 lub więcej.

Konsekwencje wagowe i strukturalne
Im mniejszy rozmiar fizyczny, tym mniejsza będzie waga. Grafitowy kompaktowy wymiennik ciepła o przewodności cieplnej jest zazwyczaj o 50–70% lżejszy niż wymiennik PTFE spełniający tę samą funkcję termiczną. Wewnętrzny rdzeń grafitowy zajmuje mniej miejsca, co oznacza, że ​​potrzeba mniej materiału powłoki (głównie stali węglowej lub stali nierdzewnej). Lżejszy sprzęt wymaga mniej znaczących podpór konstrukcyjnych, oszczędza koszty transportu i ułatwia instalację, szczególnie w wysokich lub zatłoczonych miejscach.

W zastosowaniach modernizacyjnych, gdzie istniejące fundamenty lub drogi dostępowe ograniczają dostępną powierzchnię podłogi, zwartość wymienników grafitowych zazwyczaj decyduje o tym, czy w ogóle można zainstalować rozwiązanie odporne na korozję. Wymienniki PTFE wymagają ogromnych powierzchni i znacznych prześwitów w celu usunięcia wiązki rur i mogą po prostu nie pasować do lokalizacji z istniejącą rurą i sprzętem.

Przykłady zastosowań, w których ważna jest zwartość
Przemysł farmaceutyczny i chemiczny pracuje w kosztownych pomieszczeniach czystych lub w zweryfikowanych warunkach. Każdy metr kwadratowy powierzchni użytkowej jest kosztowny w budowie i utrzymaniu. Wymienniki grafitowe umożliwiają inżynierom procesu dopasowanie-wysokowydajnego chłodzenia lub ogrzewania do wąskich modułów procesowych, pozostawiając miejsce na inny sprzęt. Niewielki rozmiar może również zminimalizować parametry wymagane dla systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji-(HVAC) w czystym środowisku.

Ograniczony dostęp wokół zbiorników i systemów przenośników jest powszechny podczas operacji wytrawiania i wykańczania powierzchni. Wymienniki blokowe grafitowe mogą być mocowane bezpośrednio do ścian zbiorników lub ukryte pod platformami. Wiązka PTFE musiałaby mieć oddzielną-samodzielną osłonę z dużą ilością-przestrzeni do ciągnięcia rurki.

Do produkcji półprzewodników i ultraczystych środków chemicznych wymagana jest niska objętość martwa i szybka reakcja na temperaturę. Kompaktowa konstrukcja grafitu minimalizuje objętość zatrzymania i poprawia kontrolę procesu oraz zmniejsza straty produktu podczas zmiany gatunku.

Kiedy poświęcić zwartość na rzecz innych względów
Niewielka konstrukcja wymienników grafitowych ma jednak swoją cenę. Jak opisano na innych stronach, grafit jest kruchy i nie wytrzymuje wstrząsów mechanicznych ani wibracji. PTFE, choć większy, zapewnia odporność na uderzenia wodne i niewspółosiowość. PTFE, choć większy, może nadal stanowić opcję w zastosowaniach, w których przestrzeń nie stanowi problemu i ważna jest niezawodność mechaniczna.

Jednakże w przypadku każdego nowego obiektu lub rozbudowy, który charakteryzuje się kosztownymi nieruchomościami lub ciasnymi blokami procesowymi, kompaktowa konstrukcja wymiennika ciepła o wysokiej przewodności cieplnej z grafitu jest często najbardziej ekonomiczną alternatywą. Mniejsza jednostka zmniejsza również objętość kosztownych osłon ze stopu, złączek dysz i izolacji.

Wniosek:
Największą zaletą grafitu jest to, że może zapewnić wysoki współczynnik przenikania ciepła w małej obudowie-, czego PTFE po prostu nie jest w stanie zapewnić na poziomie podstawowym. Przewodność cieplna 300 razy większa niż PTFE powoduje, że całkowite współczynniki przenikania ciepła są od trzech do dziesięciu razy wyższe, a dane zadanie może spełnić znacznie mniejszy i lżejszy wymiennik. Grafit jest atrakcyjny w zastosowaniach farmaceutycznych, chemicznych i wykańczaniu powierzchni, gdzie powierzchnia podłogi, obciążenie konstrukcyjne i koszty instalacji mają kluczowe znaczenie. Wybór materiału musi obejmować nie tylko zgodność chemiczną, ale także całkowity koszt instalacji, biorąc pod uwagę przestrzeń i względy konstrukcyjne. Zwartość grafitu to nie tylko ulepszenie, gdy istniejący obiekt jest ograniczony rozmiarem dużego wymiennika PTFE, ale może być czynnikiem umożliwiającym transfer ciepła-odporny na korozję.