Kako se prednost grafita v toplotni prevodnosti prenese na manjše, lažje izmenjevalce?

Grafit prevaja toploto več kot 300-krat lažje kot PTFE. Ta lastnost materiala ima daljnosežne posledice v smislu velikosti, teže in cene izmenjevalnika toplote. Grafit je učinkovit prenosnik toplote skozi tesno jedro, PTFE pa potrebuje veliko površino, da prepreči svoje obnašanje, podobno izolaciji. To vodi do znatnega zmanjšanja odtisa opreme in strukturnih zahtev, kar neposredno vpliva na skupne stroške namestitve in prilagodljivost postavitve obrata.

Vrzel v prevodnosti: PTFE proti grafitu
Grafit ima običajno toplotno prevodnost od 80 do 120 W/m·K, kar je podobno toplotni prevodnosti nekaterih kovin, kot je ogljikovo jeklo ali nizko-legirana jekla. PTFE pa ima toplotno prevodnost približno 0,25 W/m K, kar je približno enako kot plastični izolacijski materiali. To pomeni, da grafitna stena določene debeline in temperaturnega gradienta prevaja toploto več kot 300-krat bolje kot PTFE.

Toplotni upor toplotnega izmenjevalnika PTFE je običajno odvisen od nizke prevodnosti PTFE. Toplota mora iti skozi steno cevi, ki je, čeprav tanka (pogosto 1-2 mm), vendarle velika ovira. Za potreben skupni prenos toplote je potrebna velika površina. To površino doseže več dolgih cevi z majhnim premerom. Posledica tega so zajetni snopi cevi in ​​ogromne lupine.

Toda v grafitnem izmenjevalniku toplotni tok ni omejen s samim materialom. Prevladujoči upor so tekoče mejne plasti na obeh straneh. Torej ima lahko grafitni izmenjevalec pri enakih hitrostih tekočine in okoliščinah umazanije bistveno večji skupni koeficient prenosa toplote (U-vrednost) kot enota PTFE.

Kvantifikacija zmanjšanja velikosti
Efektivni skupni koeficient prenosa toplote (U-vrednost) je merilo skupnih učinkov prevodnosti materiala, debeline stene in prevleke na tekočino. Za običajno tekoče-delovanje z zmerno umazanijo:

Grafitni blok ali lupina-in-cevni izmenjevalnik toplote: vrednosti U-so pogosto v razponu od 600 do 1200 W/m2K.

PTFE cevni izmenjevalniki: U-vrednosti na splošno med 200 in 400 W/m2.K.

Primerjava srednjega{0}}razpona bi lahko bila, da ima grafitni izmenjevalnik lahko trikrat višjo vrednost U-kot enota PTFE v isti storitvi. Grafitna zasnova potrebuje le okoli-tretjino površine za prenos toplote zaradi obratne sorazmernosti med U in potrebno površino za prenos toplote. Vendar pa je vpliv prevodnosti še bolj očiten v primeru večjih koeficientov filma-na strani procesa (npr. kondenzacijski hlapi ali tekočine z visoko-hitrostjo), kjer postane upor-stene cevi PTFE prevladujoč. V takšnih primerih je lahko prednost grafita v območju do faktorja pet do deset.

To neskladje v prevodnosti povzroči drastičen rezultat. Kvalitativni primer zagotavlja red velikosti. Hlajenje 100 kW vroče klorovodikove kisline z 80 stopinj na 40 stopinj s hladilno vodo lahko vključuje uporabo PTFE lupine-in-cevnega izmenjevalnika velikosti majhnega avtomobila (npr. 2-3 m dolžine, 0,6 m premera, s stotinami cevi). Enako delo, ki bi ga opravil izmenjevalnik grafitnih blokov, bi lahko opravili z enoto velikosti velikega kovčka (npr. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Razlika v glasnosti je lahko 5:1 ali več.

Teža in strukturne posledice
Manjša kot je fizična velikost, manjša bo teža. Grafitni toplotno prevodni kompaktni toplotni izmenjevalnik je običajno 50-70 % lažji od PTFE izmenjevalnika, ki opravlja enako toplotno funkcijo. Notranje grafitno jedro zavzame manj prostora, kar pomeni, da je potrebno manj materiala za lupino (večinoma ogljikovo jeklo ali nerjavno jeklo). Lažja oprema zahteva manj znatnih strukturnih podpor, prihrani stroške pošiljanja in olajša namestitev, zlasti na visokih ali preobremenjenih mestih.

Pri aplikacijah za naknadno vgradnjo, kjer obstoječi temelji ali dostopne poti omejujejo razpoložljivo talno površino, kompaktnost grafitnih izmenjevalcev običajno določa, ali je rešitev, odporna proti koroziji, sploh mogoče namestiti. PTFE izmenjevalniki zahtevajo velike odtise in precejšnje razdalje za odstranitev cevnega snopa in se morda preprosto ne prilegajo lokaciji z obstoječo cevjo in opremo.

Primeri uporabe, kjer je pomembna kompaktnost
Farmacevtska in fina kemična industrija delujeta v dragih čistih prostorih ali preverjenih pogojih. Vsak kvadratni meter površine je drag za gradnjo in uporabo. Grafitni izmenjevalniki omogočajo procesnim inženirjem, da-namestijo visokozmogljivo hlajenje ali ogrevanje v ozke procesne drsnike, pri čemer pustijo prostor za drugo opremo. Majhna velikost lahko zmanjša tudi potrebno oceno ogrevalnih, prezračevalnih in-klimatskih sistemov (HVAC) za čista okolja.

Omejen dostop okoli rezervoarjev in transportnih sistemov je pogost pri postopkih luženja in končne obdelave površin. Izmenjevalnike grafitnih blokov je mogoče pritrditi neposredno na stene rezervoarja ali skriti pod ploščadmi. PTFE snop bi moral imeti ločeno samostojno-lupino z veliko prostora za-vleko cevi.

Za proizvodnjo polprevodnikov in ultra čiste kemikalije sta potrebna nizka mrtva prostornina in hiter temperaturni odziv. Kompaktna zasnova grafita zmanjša količino zadrževanja in izboljša nadzor procesa ter zmanjša izgubo izdelka med spremembo kakovosti.

Kdaj žrtvovati kompaktnost zaradi drugih razlogov
Toda za majhno zasnovo grafitnih izmenjevalcev je treba plačati ceno. Kot je opisano na drugih straneh, je grafit krhek in ne prenese mehanskih udarcev ali vibracij. PTFE, čeprav je večji, zagotavlja odpornost proti vodnemu udaru in neusklajenosti. PTFE, čeprav večji, je lahko še vedno možnost za aplikacije, kjer prostor ni problem in je mehanska zanesljivost pomembna.

Vendar pa je za vse nove objekte ali razširitve, za katere so značilne drage nepremičnine ali tesno zapakirani procesni vložki, zasnova kompaktnega izmenjevalnika toplote z visoko grafitno toplotno prevodnostjo pogosto najbolj ekonomična alternativa. Manjša enota prav tako zmanjša količino dragih zlitin, nastavkov za šobe in izolacije.

Zaključek:
Velika prodajna prednost grafita je, da lahko zagotovi visoke stopnje prenosa toplote v majhni embalaži-, česar PTFE preprosto ne zmore na osnovni ravni. Toplotna prevodnost, ki je 300-krat večja od PTFE, povzroči tri do desetkrat višje skupne koeficiente prenosa toplote, veliko manjši in lažji izmenjevalec pa lahko opravi dano nalogo. Grafit je privlačen za aplikacije, kot so farmacija, fina kemikalija in površinska obdelava, kjer so talna površina, strukturna obremenitev in stroški namestitve ključni. Izbira materiala mora vključevati ne le kemično združljivost, ampak tudi celotne vgrajene stroške ob upoštevanju prostorskih in strukturnih vidikov. Kompaktnost grafita ni samo izboljšava, ko je obstoječa naprava omejena z velikostjo velikega PTFE izmenjevalnika, lahko je dejavnik, ki omogoča korozijsko{6}}odporen prenos toplote.