שני החומרים שנראים דומים בטמפרטורה נמוכה
FEP ו-PTFE הם שניהם פולימרים פרפלוריים, ושניהם עמידים בפני נוזלי הקירור הנפוצים המשמשים בעיבוד כימי: מים מצוננים, תמיסות גליקול, מי מלח וקירור. בטמפרטורות שבין 0 מעלות ל-50 מעלות, העמידות הכימית והתכונות המכניות של שני החומרים דומות, והבחירה נעשית לרוב על בסיס עלות.
FEP הוא קופולימר של טטרפלואורואתילן והקספלואורופרופילן. הקומונומר הקספלואורופרופילן משבש את הגבישיות של הפולימר ומפחית את צמיגות ההיתוך, מה שמאפשר לעבד את ה-FEP באמצעות שחול נמס. ל-FEP יש טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית של 200 מעלות, בהשוואה ל-260 מעלות עבור PTFE.
PTFE הוא הומופולימר של טטרפלואורואתילן. המבנה הליניארי מייצר גבישיות גבוהה יותר, מה שמעניק ל-PTFE חוזק מתיחה גבוה יותר, עמידות טובה יותר לזחילה וטמפרטורת שירות רציפה גבוהה יותר. לא ניתן לעבד PTFE-, ולכן הוא מיוצר על ידי יציקת דחיסה וסינטר.
השוואת מוליכות תרמית
ל-FEP ול-PTFE יש מוליכות תרמית דומות. ל-PTFE יש מוליכות של 0.25 W/m·K, ול-FEP מוליכות של 0.24 W/m·K. ההבדל הוא זניח, והוא אינו משפיע על שטח הפנים הנדרש עבור עומס חום נתון.
מקדם העברת החום הכולל של שני החומרים נשלט על ידי התנגדויות הסרט הנוזל, לא על ידי התנגדות הקיר. בשירות קירור-נוזל ל-נוזל, המקדם הכולל עבור מחליף חום PTFE הוא בדרך כלל 200-300 W/m²·K, והמקדם עבור מחליף חום FEP זהה למעשה. הבחירה בין שני החומרים לא יכולה להתבצע על בסיס ביצועים תרמיים.
ההבדל בהתנגדות העייפות הגמישה
עמידות בפני עייפות גמישה היא היכולת של חומר לעמוד בכיפוף והתגמשות חוזרים ונשנים מבלי להיסדק. ל-FEP התנגדות עייפות גמישה נמוכה יותר מ-PTFE בגלל הגבישיות הנמוכה יותר והמבנה המולקולרי הגמיש יותר שלו.
בשירות קירור כימי בטמפרטורה-נמוכה, עייפות גמישה עלולה להתרחש במחלפי חום הכפופים לרטט, מחזוריות תרמית או תנועה מכנית. הצינורות מתכופפים כאשר מחליף החום מתרחב ומתכווץ, וההתכווצות החוזרת ונשנית עלולה לגרום לסדקים בדופן הצינור.
ל-PTFE התנגדות עייפות גמישה גבוהה יותר מ-FEP, מה שהופך אותו מתאים לשירות שבו הצינורות נתונים לכיפוף חוזר. FEP מתאים לשירות כאשר הצינורות נתמכים בצורה נוקשה ואינם נתונים לתנועה משמעותית.
ההבדל בהתנגדות לחדור
חלחול הוא דיפוזיה של גז או נוזל דרך פולימר. ל-FEP שיעורי חדירות גבוהים יותר מ-PTFE בגלל הגבישיות הנמוכה יותר והמבנה המולקולרי הפתוח יותר שלו.
בשירות קירור כימי בטמפרטורה-נמוכה, החדירה יכולה להוות דאגה אם נוזל הקירור מכיל גזים מומסים או אם נוזל התהליך רגיש לזיהום. חדירת חמצן או פחמן דו חמצני דרך דופן הצינור יכולה להשפיע על כימיה התהליך, וחדירת נוזל התהליך דרך דופן הצינור עלולה לזהם את נוזל הקירור.
ל-PTFE יש שיעורי חדירות נמוכים יותר מ-FEP, מה שהופך אותו מתאים לשירות שבו החדירה מעוררת דאגה. FEP מתאים לשירות שבו החדירה אינה גורם קריטי.
ההבדל ביכולת הטמפרטורה
ל-FEP יש טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית של 200 מעלות, בעוד של-PTFE יש טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית של 260 מעלות. בטמפרטורה נמוכה, שני החומרים נמצאים בטווח השירות שלהם, והפרש יכולת הטמפרטורה אינו משפיע על הבחירה.
הפרש יכולת הטמפרטורה הופך חשוב אם תנאי התהליך משתנים. אם שירות הקירור יומר מאוחר יותר לשירות חימום או אם טמפרטורת ההפעלה מוגברת, ייתכן שיחידת ה-FEP לא תתאים, ויחידת ה-PTFE תידרש.
השוואה בין שני החומרים בקירור כימי בטמפרטורה-נמוכה
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE ו-FEP בשירות קירור כימי בטמפרטורה נמוכה-ב-10 מעלות עם תמיסת גליקול של 30%.
| מְאַפיֵן | מחליף חום PTFE | מחליף חום FEP | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | לְהִשְׁתַווֹת |
| מקדם העברת חום כולל | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | לְהִשְׁתַווֹת |
| טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית | 260 מעלות | 200 מעלות | PTFE |
| גמיש התנגדות עייפות | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | PTFE |
| התנגדות לחדירה | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | PTFE |
| עמידות כימית לתמיסת גליקול | מְעוּלֶה | מְעוּלֶה | לְהִשְׁתַווֹת |
| חוזק מכני | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | PTFE |
| עמידות בפני זעזועים תרמיים | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | PTFE |
| יכולת תיקון | טוֹב | טוֹב | לְהִשְׁתַווֹת |
| חיי שירות בשירות קירור | 15-20 שנים | 10-15 שנים | PTFE |
| עלות הונית עבור חובה של 20 קילוואט | $18,000 | $14,000 | FEP |
| עלות התקנה | $2,500 | $2,500 | לְהִשְׁתַווֹת |
| עלות תחזוקה שנתית | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $33,500 | $33,500 | לְהִשְׁתַווֹת |
ערכי העלות הכוללת של חמש- השנים מניחים ערך ייצור של $400 לשעה וכוללים את עלות ההון, עלות ההתקנה ועלות התחזוקה לאורך חמש שנים. העלות הכוללת של חמש- השנים היא בעצם שווה מכיוון שעלות ההון הנמוכה של FEP מקוזזת על ידי עלות התחזוקה הגבוהה יותר.
כאשר FEP היא הבחירה הטובה יותר
FEP היא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה נמוכה ללא גמישות.בטמפרטורות מתחת ל-50 מעלות ועם צינורות נתמכים בצורה קשיחה, FEP מתפקד כמו PTFE בעלות הון נמוכה יותר.
שירות חדירה לא-קריטי.כאשר חדירת גזים או נוזלים דרך דופן הצינור אינה מעוררת דאגה, FEP מספק.
דרישת חיי שירות קצרים.כאשר מחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 10 שנים או פחות, FEP מתאים ופחות יקר.
יישומים רגישים לעלות-.כאשר תקציב ההון מוגבל, FEP מספק ביצועים נאותים בעלות נמוכה יותר.
שירות קירור סטנדרטי.עבור שירות קירור סטנדרטי ללא דרישות כימיות או מכניות חריגות, FEP מתאים.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות מתגמש.כאשר הצינורות נתונים לרטט, רכיבה תרמית או תנועה מכנית, ל-PTFE התנגדות עייפות גמישה גבוהה יותר מ-FEP.
שירות רגיש-לחלחול.כאשר חדירת גזים או נוזלים דרך דופן הצינור מעוררת דאגה, ל-PTFE יש שיעורי חדירות נמוכים יותר מ-FEP.
שירות-בטמפרטורה גבוהה.כאשר טמפרטורת הפעולה עשויה לעלות על 200 מעלות, PTFE נדרש מכיוון ש-FEP מתרכך ומאבד כוח.
דרישת חיי שירות ארוכים.כאשר מחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 15 שנים או יותר, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שיש לו חוזק מכני גבוה יותר ועמידות טובה יותר לזחילה.
שירות-טוהר גבוה.כאשר נוזל התהליך רגיש לזיהום, ל-PTFE יש שיעורי חדירות נמוכים יותר וניתנים למיצוי נמוכים יותר מ-FEP.
תכונות עיצוב המשפיעות על הבחירה
מספר מאפייני עיצוב משפיעים על הבחירה בין PTFE ל-FEP.
מרווח תמיכת צינור.מרווח תמיכה קרוב יותר של הצינורות מפחית את הגמישות של הצינורות, מה שמפחית את דרישת עייפות הגמישות ומאפשר שימוש ב-FEP.
מהירות זרימה.מהירות זרימה גבוהה יותר מגבירה את הרטט ואת כיפוף הצינורות, מה שמעדיף PTFE.
תדר רכיבה תרמית.רכיבה תרמית תכופה יותר מגבירה את כיפוף הצינורות, מה שמעדיף PTFE.
רגישות לנוזל תהליך.נוזלי תהליך רגישים יותר דורשים שיעורי חדירות נמוכים יותר, מה שמעדיף PTFE.
שולי טמפרטורת הפעלה.מרווח גדול יותר בין טמפרטורת הפעולה למגבלת החומר מספק גמישות רבה יותר לשינויים עתידיים בתהליך, מה שמעדיף PTFE.
פרמטרים של מפרט עבור קירור כימי בטמפרטורה-נמוכה
מהנדסי ציוד שמעריכים מחליפי חום של PTFE ו-FEP לקירור כימי בטמפרטורה-נמוכה צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
כימיה של נוזל קירור.ציין את הרכב נוזל הקירור, כולל ריכוז גליקול, מי מלח או תוספים אחרים.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
רגישות לנוזל תהליך.ציין את הרגישות של נוזל התהליך לזיהום מחדירה.
תנאים מתגמשים.ציין את הרטט, הרכיבה התרמית והתנועה המכנית שהצינורות יחוו.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפויים ואת לוח הזמנים להחלפה.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
אילוצי מקום.ציין את השטח הפנוי ואת טביעת הרגל המקסימלית המותרת.
יכולת תחזוקה.ציין את יכולת התחזוקה של המתקן.
התאמת בחירת החומר לתנאי שירות הקירור
הבחירה בין מחליפי חום PTFE ו-FEP בקירור כימי בטמפרטורה-נמוכה תלויה בתנאי הגמישות, רגישות החדירה, דרישת חיי השירות ורגישות העלות. FEP מתאים לשירות בטמפרטורה-נמוכה ללא גמישות וללא חששות לחדירה, והוא זול יותר. PTFE נדרש לשירות עם גמישות, חששות לחדירת או דרישת חיי שירות ארוכים.
החלטת הבחירה צריכה להתבסס על ניתוח ספציפי למתקן-שמשלב את עלות ההון, עלות ההתקנה, עלות התחזוקה והחשיפה לאובדן ייצור. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם רכיבי עלות אלו מספק את המידע הדרוש לקבלת ההחלטה.
עבור מתקני קירור כימיים בטמפרטורה-נמוכה המעריכים אפשרויות מחליפי חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על עלות הבעלות הכוללת לאורך חיי השירות הצפוי, ולא רק על עלות ההון. ליחידת FEP עם עלות הון נמוכה יותר עשויה להיות עלות חיים גבוהה יותר אם היא דורשת החלפה תכופה יותר.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום PTFE עבור קירור כימי בטמפרטורה-נמוכה או שירות קורוזיבי אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה כימיה של נוזל קירור, טמפרטורת הפעלה, רגישות לנוזל התהליך, תנאי גמישות ודרישות חיי שירות כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
