Horký, korozivní procesní proud má teplotu 150 stupňů. PTFE, klasický fluoropolymer pro výměníky tepla, je při této teplotě zcela nevhodný; změkl by a selhal. PFA, jeho blízký chemický příbuzný, je dokonale pohodlný. Oba materiály jsou vynikajícími izolanty a jejich surová, vnitřní schopnost vést teplo je téměř identická. Tepelné vítězství výměníku PFA při 150 stupních nespočívá v tom, že je lepším vodičem, ale jednoduše proto, že je to při této teplotě stále pevná, silná trubka, která umožňuje výměnu tepla, o kterou se PTFE nemůže ani pokusit. PochopeníKoeficient prostupu tepla PFA vs PTFE 150 stupňůsrovnání vyžaduje pohled za číslo tepelné vodivosti a zaměření na maximální provozní teplotu.

Tepelná vodivost: Téměř identický izolátor

Tepelná vodivost PTFE (polytetrafluorethylenu) i PFA (perfluoralkoxyalkanu) se při typických procesních teplotách pohybuje v rozmezí 0,20–0,25 W/m·K. Tyto hodnoty jsou pro technické účely téměř nerozeznatelné. Při stejné tloušťce stěny (např. 1 mm pro trubku malého průměru nebo 2 mm pro větší trubkový výměník) bude tepelný odpor trubky vyrobené z obou materiálů v podstatě stejný. Proto je celkový součinitel prostupu tepla (hodnota U) výměníku PFA podobný jako u výměníku PTFE pro ekvivalentní konstrukci-za předpokladu, že oba pracují v rámci příslušných teplotních limitů.

Klíčovou a obrovskou výhodou PFA je jeho vyšší trvalá provozní teplota 260 stupňů ve srovnání s praktickým limitem PTFE pro provoz ponorného ohřívače nebo výměníku tepla, který je přibližně 110–120 stupňů ve vodním prostředí (a mírně vyšší v některých suchých nebo neoxidačních podmínkách). To umožňuje výměníku PFA zpracovávat kapaliny při 150 stupních za použití mnohem většího logaritmického středního teplotního rozdílu (LMTD) při stejném výkonu, což vede k menšímu a nákladově efektivnějšímu výměníku tepla. Vítězství není v čísle vodivosti, ale ve schopnosti materiálu ukázat se v boji.

PFA vyhrává tepelnou bitvu ne tím, že je rychlejší běžec, ale tím, že ho vůbec pustí na trať. Při 150 stupních není PTFE konkurentem,-už opustil pole.

Proč nelze použít PTFE při 150 stupních v provozu výměníků

Mechanické změkčování a tečení

PTFE začíná měknout a ztrácet mechanickou pevnost nad teplotou přibližně 110–120 stupňů v nepřetržitém ponoru. Zatímco PTFE má teoretickou teplotu tání 327 stupňů, prochází krystalickou fázovou přeměnou při asi 19 stupních a další při asi 30 stupních a nad 100 stupni se amorfní oblasti stávají stále pohyblivější. Ve výměníku tepla, kde jsou trubky vystaveny vnitřnímu tlaku, vnějšímu tlaku a namáhání tepelnou roztažností, se PTFE trubky při 150 stupních posouvají, deformují a nakonec se zhroutí nebo prasknou. Materiál také vykazuje vysoký koeficient tepelné roztažnosti (přibližně 10krát vyšší než ocel), což vede k nadměrnému prohýbání trubky a mechanické únavě při zvýšených teplotách.

Praktické zkušenosti

Zkušenosti z praxe a pokyny výrobce stanovují bezpečný nepřetržitý provozní limit pro trubky tepelného výměníku z PTFE na 110 stupňů pro většinu korozívních vod. Pro krátké výchylky do 120 stupňů mohou být některé návrhy přijatelné, ale 150 stupňů je pevně mimo bezpečnou obálku. Na rozdíl od toho si PFA zachovává svou mechanickou integritu a chemickou odolnost až do 260 stupňů bez fázových přechodů, které způsobují rozměrovou nestabilitu.

Celkový koeficient přenosu tepla (U-hodnota) při 150 stupních

Podobná hodnota U u ekvivalentního designu

Pro hypotetický scénář, kde by PTFE mohl přežít při 150 stupních, by hodnota U výměníku PFA a výměníku PTFE s identickou geometrií (průměr trubky, tloušťka stěny, uspořádání trubky a rychlosti kapaliny) byla téměř stejná. Vodivý odpor stěny trubky je pouze jednou složkou celkového tepelného odporu. Ostatní složky -konvekce na straně trubky, konvekce na straně pláště a odolnost proti zanášení- jsou identické pro stejné vlastnosti a rychlosti tekutiny. Protože tepelné vodivosti PTFE a PFA jsou prakticky totožné, liší se hodnota U o méně než 5 %.

Praktická výhoda: Větší LMTD

Protože PTFE nemůže pracovat při 150 stupních, praktické srovnání není mezi dvěma materiály při stejné teplotě. Místo toho lze použít výměník PFA k chlazení 150stupňového proudu například 30stupňovou chladicí vodou, čímž vzniká LMTD přibližně 80–100°. PTFE výměník, omezený na vstupní teplotu horké strany 110 stupňů, by měl LMTD pouze 40–50 stupňů pro stejnou chladicí vodu. K přenosu stejného tepelného výkonu by výměník PTFE vyžadoval zhruba dvojnásobek povrchové plochy,-pokud by vůbec mohl fungovat. Ve skutečnosti je možnost PTFE pro tak vysokou teplotu prostě nedostupná.

Praktické pokyny pro výběr

Závěr: Přežití jako rozhodující faktor

Srovnání mezi PFA a PTFE výměníkem při vysokých teplotách je jednoduchou otázkou přežití, nikoli surového tepelného výkonu. Při 150 stupních PTFE měkne, teče a selhává, zatímco PFA zůstává pevný, stabilní a chemicky inertní. Celkové koeficienty prostupu tepla obou materiálů jsou téměř totožné při stejné tloušťce stěny, ale tato skutečnost je irelevantní, protože při této teplotě nelze použít PTFE. PFA je tepelným šampiónem jednoduše proto, že snese teplo. Nejlepší materiál je ten, který stále stojí při procesní teplotě, a pro 150° korozivní proud je tímto materiálem PFA.