Tiek PVDF, tiek PTFE yra fluoropolimerai, kurie sukuria puikius korozijai{0}}atsparius šilumokaičius. Ant popieriaus jų šilumos laidumas yra beveik identiškas, abu svyruoja apie lėtą 0,2 W/m·K. Tačiau tikrasis šilumokaičio našumas- priklauso ne tik nuo plastiko šilumos laidumo; kalbama apie tai, ką plastikas leidžia inžinieriui sukurti. Suprasdamas,PVDF vs PTFE bendras šilumos perdavimo koeficientaspalyginti reikia pažvelgti ne tik į medžiagos duomenų lapą, bet ir į praktinę vamzdžio sienelės storio ir mechaninio stiprumo mechaniką.
Šilumos laidumo skaičiai: arčiau, nei atrodo
Medžiagos vidinis šilumos laidumas yra matas, nurodantis, kaip lengvai šiluma teka per 1 metro kubą vienam temperatūros skirtumo laipsniui. Dviem fluorpolimerams:
PTFE (politetrafluoretilenas):Maždaug 0,25 W/m·K
PVDF (polivinilideno fluoridas):Apytiksliai 0,19 W/m·K
PTFE turi nedidelį kraštą-apie 30 % didesnį laidumą nei PVDF, skaičiuojant pagal storio vienetą{2}}. Jei iš abiejų medžiagų būtų galima suformuoti vienodo sienelės storio vamzdžius, PTFE vamzdis teoriškai turėtų mažesnę laidumo varžą. Tačiau tai nėra visa istorija. Bendras šilumokaičio šilumos perdavimo koeficientas (U-vertė) apima kelias varžas: vidinę plėvelę, vamzdžio sienelės laidumą, išorinę plėvelę ir užsiteršimo faktorius. Fluoropolimeriniuose šilumokaičiuose vamzdžio sienelės laidumas dažnai yra dominuojanti kliūtis. Bet koks sienelės storio sumažinimas tiesiogiai pagerina U{10}}vertę.
Paslėptas PVDF šiluminis pranašumas: jo mechaninis stiprumas
PVDF yra daug standesnis ir stipresnis termoplastikas nei PTFE, tiek kambario temperatūroje, tiek įprastoje eksploatavimo temperatūroje. Pagrindiniai mechaniniai skirtumai:
Tempimo stipris:PVDF (paprastai 40–55 MPa) yra žymiai didesnis nei PTFE (20–30 MPa).
Lanksčio modulis:PVDF (1,5–2,5 GPa) yra daug standesnis nei PTFE (0,5–0,8 GPa).
Atsparumas šliaužimui:PVDF išlaiko savo formą ir stiprumą esant nuolatiniam slėgiui, o PTFE yra linkęs šaltai tekėti ir laikui bėgant deformuotis.
Šis mechaninis pranašumas leidžia išspausti PVDF šilumokaičio vamzdį su žymiai plonesne sienele nei PTFE vamzdis, tuo pačiu tenkinant tuos pačius slėgio ir mechaninio vientisumo reikalavimus. Paslėptas šiluminis PVDF pranašumas yra jo raumenys,{1}}kuris gali palaikyti plonesnę, mažiau trukdančią sieną.
Sienelės storio palyginimas: tikrosios našumo variklis
Įprastam korpuso-ir
PTFE vamzdis:Mažiausias sienelės storis maždaug 0,8–1,0 mm. Plonesnės sienos gali sugriūti veikiant vakuumui, sprogti veikiant slėgiui arba deformuotis dėl terminio ciklo. PTFE minkštumas reikalauja storesnės sienelės mechaniniam stabilumui užtikrinti.
PVDF vamzdis:Mažiausias sienelės storis maždaug 0,4–0,6 mm. Didesnis standumas ir atsparumas tempimui leidžia patikimai veikti su beveik perpus storesne sienele.
Vamzdžio sienelės laidžioji šiluminė varža apskaičiuojama taip:
PTFE: 0,9 mm / 0,25 W/m·K=0.0036 m²·K/W
PVDF: 0,5 mm / 0,19 W/m·K=0.0026 m²·K/W
Nepaisant didesnio PTFE laidumo milimetre, plonesnė PVDF sienelė sukuria mažesnę laidumo varžą. Šiame pavyzdyje PVDF sienelės varža yra maždaug 28 % mažesnė nei PTFE. Kai kartu su plėvelės atsparumu (kurie yra panašūs abiem medžiagoms, atsižvelgiant į panašią paviršiaus apdailą ir tekėjimo sąlygas), bendra PVDF šilumokaičio U- vertė paprastai yra 15–30 % didesnė nei lygiaverčio PTFE bloko.
Papildomas veikimo langas: temperatūros ribos
PVDF siūlo šiek tiek aukštesnę maksimalią nepertraukiamo eksploatavimo temperatūrą nei PTFE panardinamiesiems šilumokaičiams. Praktinės ribos yra šios:
PTFE:Paprastai 110 laipsnių nuolatiniam panardinimui į vandeninius tirpalus. Galimi trumpalaikiai nukrypimai iki 120 laipsnių, tačiau virš 110 laipsnių mechaninis stiprumas greitai mažėja.
PVDF:Skirtas nuolatiniam darbui iki 135 laipsnių daugelyje korozinių aplinkų. Kai kurių rūgščių ir bazių viršutinė riba yra maždaug 120–125 laipsniai, tačiau tai vis tiek viršija PTFE ribą.
Procesams, kurie vyksta nuo 110 laipsnių iki 125 laipsnių, PVDF dažnai yra vienintelė fluoropolimero parinktis. PTFE šilumokaitį reikėtų dažnai keisti arba jis nukentėtų nuo šliaužimo ir deformacijos. Šis temperatūros pranašumas dar labiau išplečia PVDF pritaikymą karštos rūgšties arba šarminio šildymo reikmėms.
Praktinės šilumokaičio projektavimo pasekmės
Patobulinta U{0}}vertė ir aukštesnis PVDF temperatūros įvertinimas suteikia apčiuopiamų dizaino pranašumų:
Mažesnis šilumos perdavimo plotas:Tam tikram šildymo ar vėsinimo režimui PVDF šilumokaitis gali būti mažesnis (mažiau vamzdžių arba trumpesnis ilgis) nei PTFE. Tai sumažina pėdsaką ir pradinio kapitalo sąnaudas.
Mažesnis srautas arba sumažinta temperatūros varomoji jėga:Jei šilumokaičio dydis yra fiksuotas, didesnė U{0}}vertė leidžia dirbti su mažesniu karšto skysčio srautu arba mažesniu temperatūrų skirtumu tarp eksploatacinio skysčio ir proceso skysčio.
Geresnis atsakas į užteršimą:Laikui bėgant, užsiteršimas padidina atsparumą. Didesnė pradinė U{1}}vertė suteikia daugiau maržos, kol šilumokaičio našumas nukrenta žemiau priimtino.
Kai PTFE išlieka pageidaujamas pasirinkimas
Nepaisant U{0}}vertės ir temperatūros įvertinimo PVDF pranašumų, PTFE vis dar pasirenkamas daugelyje programų dėl priežasčių, nesusijusių su šilumos perdavimu:
Cheminis atsparumas:PTFE yra inertiškas beveik visoms cheminėms medžiagoms, įskaitant stiprias oksiduojančias rūgštis (pvz., rūkstančias azoto, chlorosulfonines). PVDF gali paveikti koncentruota sieros rūgštis, aukštesnė nei 100 laipsnių, stiprios bazės aukštesnėje temperatūroje ir kai kurie poliniai tirpikliai (pvz., dimetilsulfoksidas, acetonas).
Grynumo reikalavimai:PTFE dažnai naudojamas ypač grynam vandeniui ir puslaidininkiams, nes jis išplauna mažiau ekstrahuojamų medžiagų nei PVDF. PVDF gali turėti oligomerų pėdsakų arba perdirbimo tirpiklio likučių.
Lankstumas vyniojant:PTFE lankstumas leidžia jį suformuoti į sandarius, spiralinius ritinius, skirtus panardinamiesiems šildytuvams. PVDF yra standesnis ir trapesnis, todėl jo naudojimas ribojamas kompaktiškose ritininėse geometrijose.
Mažesnė kaina (paprastai):PVDF paprastai yra pigesnis nei PTFE už -kilogramą, tačiau bendra šilumokaičio kaina priklauso nuo konstrukcijos. PTFE yra plačiau prieinama kaip vamzdžių medžiaga, kuri gali kompensuoti žaliavų kainų skirtumą.
Našumo skirtumo kiekybinis įvertinimas: pavyzdys
Apsvarstykite apvalkalo{0}}ir vamzdžių fluoropolimero keitiklį su šiais parametrais:
Vamzdžio išorinis skersmuo: 6 mm
Vamzdžio ilgis: 2 metrai
Vamzdžių skaičius: 100
Karštas skystis vamzdeliuose (90 laipsnių vanduo), šaltas proceso skystis lauke (50 laipsnių vanduo)
Vidiniai ir išoriniai plėvelės koeficientai: 500 W/m²·K (tipiška turbulentam vandeniui)
PTFE konstrukcija (0,9 mm siena):
Sienų varža: 0,0036 m²·K/W
Bendra varža (1/500 + 0.0036 + 1/500)=0.0020 + 0.0036 + 0.0020=0.0076 m²·K/W
Bendra U-vertė=1 / 0,0076 ≈ 132 W/m²·K
PVDF konstrukcija (0,5 mm siena):
Sienų varža: 0,0026 m²·K/W
Bendra varža=0.0020 + 0.0026 + 0.0020=0.0066 m²·K/W
Bendra U-vertė=1 / 0,0066 ≈ 152 W/m²·K
PVDF keitiklis pasiekia 15 % didesnę U- vertę. Fiksuotam šilumos režimui reikalingas šilumos perdavimo plotas (taigi ir šilumokaičio dydis) yra 15 % mažesnis.
Išvada: našumas yra savybių balansas
PVDF ir PTFE pasirinkimą lemia ne beveik vienodas šilumos laidumas, o PVDF gebėjimas suformuoti tvirtesnę, plonesnę sienelę, leidžiančią per ją tekėti daugiau šilumos. Bendras PVDF šilumokaičio šilumos perdavimo koeficientas paprastai yra išmatuojamai didesnis nei PTFE analogo, nes sumažėja plonesnių vamzdžių sienelių laidumas. Be to, PVDF siūlo aukštesnę maksimalią eksploatavimo temperatūrą (135 laipsniai palyginti su . 110 laipsniais), išplečiant veikimo langą. Tačiau PTFE išlaiko savo karūną dėl didžiausio cheminio inertiškumo ir naudojimo, kai reikalaujama aukščiausio grynumo. Šilumokaičio našumas yra medžiagų savybių balansas, o ne tik vienas skaičius-, o PVDF atveju balansas rodo plonesnes, tvirtesnes sienas ir geresnę U-vertę.
