Jak se výhoda tepelné vodivosti grafitu přenese do menších a lehčích výměníků?

Grafit vede teplo více než 300krát snadněji než PTFE. Tento jediný atribut materiálu má dalekosáhlé důsledky, pokud jde o velikost, hmotnost a náklady na výměník tepla. Grafit je účinný přenos tepla přes těsné jádro a PTFE potřebuje velkou plochu, aby působil proti jeho izolačnímu chování. To vede ke značnému snížení půdorysu zařízení a strukturálních požadavků, což má přímý dopad na celkové instalované náklady a flexibilitu uspořádání závodu.

Mezera vodivosti: PTFE versus grafit
Grafit má obvykle tepelnou vodivost 80 až 120 W/m·K, což je podobné tepelné vodivosti některých kovů, jako je uhlíková ocel nebo nízkolegované -oceli. PTFE má naproti tomu tepelnou vodivost asi 0,25 W/m K, což je přibližně stejně jako plastové izolační materiály. To znamená, že grafitová stěna určité tloušťky a teplotního gradientu vede teplo více než 300krát lépe než PTFE.

Tepelný odpor PTFE výměníku se obvykle řídí nízkou vodivostí PTFE. Teplo musí procházet stěnou trubky, která, i když tenká (často 1-2 mm), představuje velkou překážku. K dosažení potřebného celkového přenosu tepla je zapotřebí velká plocha. Této plochy je dosaženo několika dlouhými trubkami s malým průměrem. Výsledkem jsou objemné svazky trubek a obrovské skořepiny.

Ale v grafitovém výměníku není tepelný tok omezen samotným materiálem. Dominantními odpory jsou hraniční vrstvy tekutiny na obou stranách. Takže při stejných rychlostech tekutiny a zanášení může mít grafitový výměník podstatně větší celkový koeficient přenosu tepla (hodnota U-) než jednotka PTFE.

Kvantifikace zmenšení velikosti
Efektivní celkový součinitel prostupu tepla (U-hodnota) je mírou kombinovaných účinků vodivosti materiálu, tloušťky stěny a povlaku na kapalinu. Pro typickou tekutou-tekutou práci s mírným znečištěním:

Grafitový blok nebo plášťový-a{1}}trubkový výměník tepla: Hodnoty U-se často pohybují v rozmezí 600 až 1200 W/m2K.

Trubkové výměníky PTFE: U-hodnoty obecně mezi 200 a 400 W/m2.K.

Srovnání střední{0}}rozsahu může být takové, že grafitový výměník může mít hodnotu U- třikrát vyšší než jednotka PTFE ve stejné službě. Grafitový design potřebuje pouze přibližně jednu-třetinu teplosměnné plochy kvůli nepřímé úměrnosti mezi U a potřebnou teplosměnnou plochou. Vliv na vodivost je však ještě zřetelnější v případě vyšších koeficientů filmu na straně -procesu (např. kondenzující páry nebo -vysokorychlostní kapaliny), kde se stává dominantním odpor stěny trubice- z PTFE. V takových případech může být výhoda plochy grafitu až faktor pět až deset.

Tento nesoulad ve vodivosti vede k drastickému výsledku. Kvalitativní příklad poskytuje řádovou hodnotu. K ochlazení 100 kW horké kyseliny chlorovodíkové z 80 stupňů na 40 stupňů pomocí chladicí vody může být potřeba použít PTFE plášť-a{6}}výměník trubek velikosti malého automobilu (např. 2–3 m délky, 0,6 m průměru, se stovkami trubek). Stejnou práci, jakou by provedl grafitový blokový výměník, by mohla být řešena jednotkou o velikosti velkého kufru (např. 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Rozdíl v objemu může být 5:1 nebo větší.

Hmotnost a konstrukční důsledky
Čím menší je fyzická velikost, tím méně bude vážit. Grafitový tepelně vodivý kompaktní výměník tepla je obvykle o 50-70 % lehčí než PTFE výměník, který má stejnou tepelnou funkci. Vnitřní grafitové jádro zabírá méně místa, což znamená, že je potřeba méně materiálu pláště (většinou uhlíková ocel nebo nerezová ocel). Lehčí zařízení vyžaduje méně podstatných konstrukčních podpěr, šetří náklady na dopravu a usnadňuje instalaci, zejména na místech s vysokými nebo přetíženými provozy.

V aplikacích modernizace, kde stávající základy nebo přístupové cesty omezují dostupnou podlahovou plochu, kompaktnost grafitových výměníků obvykle určuje, zda lze vůbec nainstalovat řešení odolné proti korozi. Výměníky PTFE vyžadují pro odstranění svazku trubek velké rozměry a značné vůle a nemusí se jednoduše hodit do místa se stávajícím potrubím a zařízením.

Příklady aplikací, kde je důležitá kompaktnost
Farmaceutický průmysl a průmysl jemné chemie pracují v nákladných čistých nebo ověřených podmínkách. Každý čtvereční metr podlahové plochy je nákladný na výstavbu a provoz. Grafitové výměníky umožňují procesním inženýrům namontovat-výkonné chlazení nebo ohřev do úzkých procesních skluzů a ponechat tak prostor pro další zařízení. Malá velikost také může minimalizovat potřebné hodnocení systémů vytápění, větrání a{4}}klimatizace (HVAC) pro čisté prostředí.

Omezený přístup kolem nádrží a dopravníkových systémů je běžný v operacích moření a povrchových úprav. Grafitové blokové výměníky je možné připevnit přímo na stěny nádrže nebo schovat pod plošiny. Svazek PTFE by musel mít samostatnou-samotnou skořepinu se spoustou prostoru pro trubku-.

Pro výrobu polovodičů a ultračistých chemikálií je vyžadován nízký mrtvý objem a rychlá teplotní odezva. Kompaktní design grafitu minimalizuje zádržný objem a zlepšuje řízení procesu a snižuje ztráty produktu během změny jakosti.

Kdy obětovat kompaktnost kvůli jiným úvahám
Za malé provedení grafitových výměníků se ale platí. Jak je popsáno na jiných stránkách, grafit je křehký a neodolává mechanickým nárazům nebo vibracím. PTFE, i když je rozměrově větší, poskytuje odolnost proti vodním rázům a nesouososti. PTFE, i když je větší, může být stále možností pro aplikace, kde prostor není problémem a mechanická spolehlivost je důležitá.

Avšak pro každé nové zařízení nebo rozšíření, které se vyznačuje drahými nemovitostmi nebo těsně uzavřenými procesními skluzy, je konstrukce kompaktního výměníku tepla s vysokou grafitovou tepelnou vodivostí často nejekonomičtější alternativou. Menší jednotka také snižuje objem drahých slitinových plášťů, armatur trysek a izolace.

Závěr:
Velkou předností grafitu je to, že může poskytovat vysoké rychlosti přenosu tepla v malém balení-, což PTFE na základní úrovni prostě nedokáže. Tepelná vodivost 300krát vyšší než u PTFE má za následek tři až desetkrát vyšší celkové součinitele prostupu tepla a mnohem menší a lehčí výměník může splnit daný úkol. Grafit je atraktivní pro aplikace, jako je farmaceutický průmysl, jemná chemie a povrchové úpravy, kde je rozhodující podlahová plocha, konstrukční zatížení a náklady na instalaci. Výběr materiálu musí zahrnovat nejen chemickou kompatibilitu, ale i celkové náklady na instalaci s ohledem na prostor a konstrukční úvahy. Kompaktnost grafitu není jen vylepšením, když je stávající zařízení omezeno velikostí velkého PTFE výměníku, může to být faktor, který umožňuje přenos tepla odolný proti korozi-.