אטרקציית המילוי
בורון ניטריד (BN) מתווסף ל-PTFE כחומר מילוי כדי להגביר את המוליכות התרמית. חלקיקי BN, המפוזרים בכל מטריצת ה-PTFE, מספקים מסלולים מוליכים דרך הפולימר המבודד אחרת. המוליכות התרמית של PTFE מלא ב-BN- גבוהה פי 0.5-1.0 W/m·K-2-4 מ-PTFE בתולי ב-0.25 W/m·K. שיפור זה מאפשר שטח פנים קטן יותר של מחליף חום לאותה חובת חום, ומפחית את טביעת הרגל והעלות של המחליף.
עם זאת, יתרון המוליכות התרמית של PTFE מלא אינו בהכרח קבוע. חשיפה לטווח ארוך-לטמפרטורה מוגברת-מצב הפעולה הרגיל של מחליף קיטור-מחומם-יכול לשנות את ממשק המטריצה של מילוי-. מחזוריות תרמית יכולה ליצור מיקרו-פערים בין חלקיקי המילוי לבין מטריצת ה-PTFE. המוליכות התרמית מתדרדרת עם הזמן.
מנגנון ההזדקנות
מקדם ההתפשטות התרמית של BN (בערך 1-4 × 10⁻⁶/מעלה) נמוך בהרבה מזה של PTFE (120 × 10⁻⁶/מעלה). במהלך רכיבה תרמית, מטריצת ה-PTFE מתרחבת ומתכווצת הרבה יותר מחלקיקי המילוי BN. ההתפשטות הדיפרנציאלית יוצרת מתח גזירה מחזורי בממשק החלקיקים-מטריקס. על פני מאות או אלפי מחזורים, הממשק יכול להתנתק. נוצר פער מיקרוסקופי בין החלקיק למטריצה.
הרווח הזה מלא באדי אוויר או נוזל תהליך-שלשניהם מוליכות תרמית נמוכה מאוד. הפער פועל כהתנגדות תרמית, ומפחית את המוליכות האפקטיבית של המרוכב. ככל שהחומר חווה יותר מחזורים, כך יותר ממשקים מתנתקים, והמוליכות התרמית הופכת נמוכה יותר.
ל-Virgin PTFE אין מילוי, אין ממשק ואין מנגנון התפשטות דיפרנציאלי. המוליכות התרמית שלו, אם כי נמוכה יותר בתחילה, היא יציבה לכל החיים של הציוד.
| פרמטר מוליכות תרמית | PTFE בתולה | BN-PTFE מלא (חדש) | BN-PTFE מלא (בגיל 5,000 מחזורים) |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית (W/m·K) | 0.25 | 0.60 | 0.35-0.45 |
| שימור מוליכות תרמית לאחר הזדקנות (%) | 100 | 100 (חדש) | 60-75 |
| מנגנון השפלה | לא רלוונטי (יציב) | N/A | ניתוק מטריצת מילוי- |
| השפעה על ערך U- של מחליף חום | יַצִיב | גבוה יותר בתחילה; יורד | בירידה; עלול להתקרב ל-PTFE בתולה |
ההשלכה העיצובית
מחליף חום שתוכנן סביב המוליכות התרמית הראשונית של PTFE מלא ב-BN- יהיה נמוך יותר ברגע שהמוליכות תתדרדר. תפוקת החום תרד עם הזמן, ובסופו של דבר תיפול מתחת לדרישת התהליך. יש להחליף את המחליף או להגביר את לחץ הקיטור-מה שמאיץ את השפלה נוספת.
עיצוב שמרני עבור PTFE מלא משתמש במוליכות התרמית המיושנת-לא בערך החדש. זה מבטל את הירידה בביצועים אבל גם מבטל את רוב יתרון הגודל שהצדיק את החומר הממולא מלכתחילה. העיצוב מגיע בסופו של דבר קרוב לגודל של מחליף PTFE בתולי אך במחיר חומר גבוה יותר.
Virgin PTFE, עם המוליכות התרמית היציבה והניתנת לחיזוי שלו, מאפשר עיצוב פשוט ללא תוספת התפרקות. המחליף פועל באופן עקבי מההתקנה ועד הפרישה.
המדריך ליישום
PTFE במילוי BN- מתאים ליישומים שבהם המחליף פועל בטמפרטורה קבועה עם מחזוריות מינימלית, ושבו ניתן לנצל את המוליכות הראשונית הגבוהה יותר ללא פגיעה משמעותית בהזדקנות. יישומים מחזוריים-חימום אצווה, אתחול והשבתה תכופים-מאיצים את ההזדקנות ומצמצמים את התועלת.
עבור רוב יישומי מחליפי החום בתהליך כימי, שבהם רכיבה תרמית היא אינהרנטית, PTFE בתולה היא הבחירה האמינה יותר. הביצועים היציבים וחיי השירות הארוכים עולים על טביעת הרגל הראשונית הגדולה יותר.
תַקצִיר
צינורות מחליף חום מלאים ב--PTFE מאבדים 25-40% מהמוליכות התרמית הראשונית שלהם לאחר מחזוריות תרמית ממושכת עקב ניתוק מטריצת מילוי- מהתפשטות תרמית דיפרנציאלית. Virgin PTFE שומר על מוליכות יציבה ללא הגבלת זמן. עבור שירות מחזורי, PTFE בתולה מספק ביצועים צפויים יותר-לטווח ארוך ויש לציין אותו אלא אם התהליך הוא יציב והקטנת הגודל מחומר מלא חיונית.
תמיכה הנדסית לבחירת חומרי PTFE מלאים לעומת בתוליים זמינה עם הגשת מחזור טמפרטורת ההפעלה, חיי השירות הנדרשים ומגבלות החלל.
