Kako se prednost grafita u toplinskoj vodljivosti prenosi na manje, lakše izmjenjivače?

Grafit provodi toplinu preko 300 puta lakše nego PTFE. Ovaj atribut materijala ima dalekosežne posljedice u smislu veličine, težine i cijene izmjenjivača topline. Grafit je učinkovit prijenosnik topline kroz čvrstu jezgru, a PTFE-u je potrebna velika površina kako bi se suprotstavio ponašanju sličnom izolaciji. To dovodi do znatnog smanjenja otiska opreme i strukturnih zahtjeva, što ima izravan utjecaj na ukupne instalirane troškove i fleksibilnost rasporeda postrojenja.

Razlika u vodljivosti: PTFE naspram grafita
Grafit obično ima toplinsku vodljivost od 80 do 120 W/m·K, što je slično toplinskoj vodljivosti nekih metala poput ugljičnog čelika ili nisko-legiranih čelika. PTFE, s druge strane, ima toplinsku vodljivost od oko 0,25 W/m K, što je otprilike isto kao i plastični izolacijski materijali. To znači da grafitna stijenka određene debljine i temperaturnog gradijenta provodi toplinu više od 300 puta bolje od PTFE-a.

Toplinska otpornost PTFE izmjenjivača topline obično je određena niskom vodljivošću PTFE. Toplina mora proći kroz stijenku cijevi, koja, iako tanka (često 1-2 mm), ipak predstavlja veliku prepreku. Za postizanje potrebnog ukupnog prijenosa topline potrebna je velika površina. Ova površina je postignuta pomoću nekoliko dugih cijevi malog promjera. To rezultira glomaznim snopovima cijevi i golemim školjkama.

Ali u grafitnom izmjenjivaču toplinski tok nije ograničen samim materijalom. Dominantni otpori su granični slojevi fluida s obje strane. Dakle, za iste brzine tekućine i okolnosti onečišćenja, grafitni izmjenjivač može imati znatno veći ukupni koeficijent prijenosa topline (U-vrijednost) od PTFE jedinice.

Kvantifikacija smanjenja veličine
Efektivni ukupni koeficijent prijenosa topline (U-vrijednost) mjera je kombiniranih učinaka vodljivosti materijala, debljine stijenke i premaza na tekućinu. Za tipičan tekući-tekući posao s umjerenim onečišćenjem:

Grafitni blok ili školjka-i-cijevni izmjenjivač topline: U-vrijednosti često su u rasponu od 600 do 1200 W/m2K.

PTFE cijevni izmjenjivači: U-vrijednosti općenito između 200 i 400 W/m2.K.

Srednja{0}}usporedba bi mogla biti da bi grafitni izmjenjivač mogao imati U-vrijednost tri puta veću od PTFE jedinice u istoj usluzi. Dizajn od grafita treba samo oko jedne-trećine površine za prijenos topline zbog obrnute proporcionalnosti između U i potrebne površine za prijenos topline. Međutim, utjecaj vodljivosti još je očitiji u slučaju većih koeficijenata filma -na strani procesa (npr. kondenzirajuće pare ili tekućine velike-brzine) gdje otpor stijenke cijevi-od PTFE-a postaje dominantan. U takvim slučajevima prednost površine grafita može biti faktor od pet do deset.

Ova neusklađenost u vodljivosti dovodi do drastičnog rezultata. Kvalitativni primjer daje red veličine. Za hlađenje 100 kW vruće klorovodične kiseline s 80 stupnjeva na 40 stupnjeva vodom za hlađenje može biti potrebna upotreba PTFE školjke-i-cijevni izmjenjivač veličine malog automobila (npr. 2-3 m duljine, 0,6 m promjera, sa stotinama cijevi). Isti posao koji bi izmjenjivač grafitnih blokova obavio može se obaviti s jedinicom veličine velikog kofera (npr. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Razlika u volumenu može biti 5:1 ili veća.

Težina i strukturne posljedice
Što je manja fizička veličina, to će manje težiti. Kompaktni izmjenjivač topline s grafitnom toplinskom vodljivošću obično je 50-70% lakši od PTFE izmjenjivača koji obavlja istu toplinsku funkciju. Unutarnja grafitna jezgra zauzima manje prostora, što znači da je potrebno manje materijala za školjku (uglavnom ugljični čelik ili nehrđajući čelik). Lakša oprema zahtijeva manje značajnih strukturalnih potpora, štedi troškove dostave i olakšava instalaciju, posebno na visokim ili zakrčenim mjestima.

U primjenama naknadne ugradnje, gdje postojeći temelji ili pristupi ograničavaju raspoloživi podni prostor, kompaktnost grafitnih izmjenjivača obično određuje može li se uopće ugraditi rješenje otporno na koroziju. PTFE izmjenjivači zahtijevaju ogromne otiske i znatne razmake da bi se uklonio snop cijevi i možda se jednostavno neće uklopiti u mjesto s postojećom cijevi i opremom.

Primjeri primjene gdje je kompaktnost važna
Farmaceutska i fina kemijska industrija rade u skupim čistim sobama ili provjerenim uvjetima. Svaki četvorni metar površine je skup za izgradnju i rad. Grafitni izmjenjivači omogućuju procesnim inženjerima da postave-hlađenje ili grijanje visokih performansi u uske procesne klizne, ostavljajući mjesta za drugu opremu. Mala veličina također može minimizirati potrebnu ocjenu sustava grijanja, ventilacije i-klimatizacije (HVAC) za čisto okruženje.

Ograničen pristup oko spremnika i transportnih sustava uobičajen je u operacijama dekapiranje i završne obrade površina. Grafitni blok izmjenjivači mogu se pričvrstiti izravno na stijenke spremnika ili skriveni ispod platformi. PTFE snop bi morao imati zasebnu samostalnu-ljusku s puno prostora za-povlačenje cijevi.

Mali mrtvi volumen i brza temperaturna reakcija potrebni su za proizvodnju poluvodiča i ultra čiste kemikalije. Kompaktan dizajn grafita smanjuje volumen zadržavanja i poboljšava kontrolu procesa i smanjuje gubitak proizvoda tijekom promjene stupnja.

Kada žrtvovati kompaktnost zbog drugih razloga
Ali postoji cijena koju treba platiti za mali dizajn grafitnih izmjenjivača. Kao što je opisano na drugim stranicama, grafit je krt i ne podnosi mehaničke udare ili vibracije. PTFE, iako je veće veličine, pruža otpornost na vodeni udar i neusklađenost. PTFE, iako veći, još uvijek može biti opcija za primjene gdje prostor nije problem, a mehanička pouzdanost je važna.

Međutim, za bilo koje novo postrojenje ili proširenje koje karakteriziraju skupe nekretnine ili tijesno zbijeni procesni blokovi, kompaktni dizajn izmjenjivača topline visoke grafitne toplinske vodljivosti često je najekonomičnija alternativa. Manja jedinica također smanjuje količinu skupih aluminijskih školjki, priključaka mlaznica i izolacije.

Zaključak:
Velika prodajna prednost grafita je to što može osigurati visoke stope prijenosa topline u malom pakiranju- nešto što PTFE jednostavno ne može učiniti na osnovnoj razini. Toplinska vodljivost 300 puta veća od PTFE-a rezultira ukupnim koeficijentima prijenosa topline tri do deset puta većim, a puno manji i lakši izmjenjivač može obaviti zadani zadatak. Grafit je privlačan za primjene kao što su farmacija, fina kemija i završna obrada površina gdje su prostor na podu, strukturalno opterećenje i troškovi instalacije ključni. Odabir materijala mora uključivati ​​ne samo kemijsku kompatibilnost, već i cjelokupnu instaliranu cijenu s obzirom na prostor i strukturna razmatranja. Kompaktnost grafita nije samo poboljšanje kada je postojeće postrojenje ograničeno veličinom velikog PTFE izmjenjivača, to može biti čimbenik koji omogućuje prijenos topline otporan na koroziju-.