שני החומרים שנראים ניתנים להחלפה על הנייר
מתקן לעיבוד כימי מציין מחליף חום לשירות חומצה גופרתית ב-150 מעלות. מסמך הרכש מפרט את חומר הצינור כ-"PTFE או שווה ערך" ואת מידות הצינור כ-6 מ"מ OD עם דופן של 0.8 מ"מ. מתקבלות שתי הצעות מחיר: אחת עם שפופרות PTFE ואחת עם שפופרות PFA. הצעת המחיר של PFA גבוהה ב-15%, וזמן האספקה ארוך יותר בארבעה שבועות.
הבחירה נעשית על בסיס המחיר הנמוך יותר, ומזמינים את יחידת ה-PTFE. היחידה מותקנת ופועלת כ-14 חודשים לפני שמתפתחת דליפה במפרק-ל-צינור. הבדיקה מגלה שה-PTFE בחיבור התגנב והריתוך נסדק. יחידת ה-PFA, אם הייתה נבחרת, הייתה בעלת מפרק מרותך עם התנגדות זחילה גבוהה יותר בטמפרטורת הפעולה.
החלטת הבחירה שנראתה כהשוואת מחירים פשוטה הייתה למעשה החלטה לגבי טמפרטורת ההפעלה המקסימלית ושלמות המשותפת של שני החומרים.
ההבדל במבנה הכימי
PTFE ו-PFA הם שניהם פולימרים פרפלוריים, כלומר עמוד השדרה של הפחמן מוגן במלואו על ידי אטומי פלואור. ההבדל הוא בשרשראות הצדדיות. ל-PTFE מבנה ליניארי ללא שרשראות צד. ל-PFA מבנה ליניארי עם שרשראות צד פרפלואורו-אלקוקסי המחוברות לעמוד השדרה.
שרשראות הצד ב-PFA משבשות את הגבישיות של הפולימר ומפחיתות את צמיגות ההיתוך. צמיגות ההיתוך הנמוכה מאפשרת לעבד PFA על ידי שחול נמס והזרקה, המייצר צינורות ורכיבים עם משטחים חלקים יותר ומפרקים מרותכים אמינים יותר מאשר PTFE.
המבנה הליניארי של PTFE מייצר גבישיות גבוהה יותר, מה שמעניק ל-PTFE חוזק מתיחה גבוה יותר, עמידות טובה יותר לזחילה וטמפרטורת שירות רציפה גבוהה יותר מאשר PFA.
הפרש טמפרטורת ההפעלה המקסימלי
טמפרטורת השירות הרציפה המקסימלית עבור PTFE היא 260 מעלות, ועבור PFA היא 260 מעלות. לשני החומרים אותה מגבלת טמפרטורה נומינלית. ההבדל המעשי מופיע בקצה המוגבה של הטווח, שבו התכונות המכניות מתחילות להתפצל.
ב-150 מעלות, שני החומרים שומרים על חוזק מכני נאות לשירות מחליף חום. ב-200 מעלות, PTFE שומר על כ-70% מחוזק המתיחה-מטמפרטורת החדר שלו, בעוד PFA שומר על כ-50%. ב-250 מעלות, PTFE שומר על כ-50%, בעוד PFA שומר על כ-30%.
המשמעות המעשית היא שבטמפרטורות מעל 200 מעלות, PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר עבור רכיבים המכילים לחץ-, בעוד ש-PFA מוגבל ליישומי מתח- נמוכים יותר.
ההבדל בהתנגדות הזחילה
זחילה היא עיוות איטי של חומר תחת עומס מתמשך. ל-PTFE יש עמידות לזחילה טובה יותר מ-PFA בגלל הגבישיות הגבוהה והמבנה הליניארי שלו. ההבדל משמעותי במיוחד בטמפרטורה גבוהה.
במחליף חום, הצינורות ויריעת הצינור נמצאים בעומס מתמשך מהלחץ הפנימי וההתפשטות התרמית. חיבורי הצינור-ל-יריעת הצינור נמצאים תחת עומס מתמשך מהדחיסה של המפרק. עם הזמן, החומר זוחל, והמפרק יכול להשתחרר.
PTFE זוחל בקצב נמוך יותר מ-PFA באותה טמפרטורה ומתח. בשירות-בטמפרטורה גבוהה, הבדל זה קובע את חיי השירות של המפרק. מפרק PTFE עשוי להימשך 10-15 שנים, בעוד שמפרק PFA עשוי להימשך 5-8 שנים.
ההבדל בשלמות הריתוך
ניתן לרתך PFA בצורה אמינה יותר מ-PTFE בגלל צמיגות ההיתוך הנמוכה שלו. אזור הריתוך ב-PFA הומוגני יותר, וחוזק הריתוך הוא בדרך כלל 90-95% מחוזק חומר האב. אזור הריתוך ב-PTFE הוא פחות הומוגני, וחוזק הריתוך הוא בדרך כלל 70-85% מחוזק חומר האב.
ההבדל בשלמות הריתוך חשוב במיוחד בחיבורי הצינור-ל-הצינור, שהם המיקומים הלחוצים ביותר במחליף החום. מפרק PFA אמין יותר מפרק PTFE, וחיי השירות של מפרק PFA ארוכים יותר.
ההבדל בחלקות פני השטח
ניתן להוציא PFA עם משטח חלק יותר מ-PTFE בגלל צמיגות ההיתוך הנמוכה שלו. המשטח החלק יותר מפחית את הידבקותם של משקעים וחלקיקים, מה שמקטין את קצב הלכלוך ואת תדירות הניקוי.
בשירות חומצה בטמפרטורה גבוהה-, משטח ה-PFA החלק יותר הוא יתרון מכיוון שהחומצה יכולה ליצור משקעים על פני הצינור, והמשקעים מפחיתים את מקדם העברת החום. המשטח החלק יותר גם מפחית את יצירת החלקיקים, דבר שחשוב ביישומים בטוהר- גבוה.
השוואה בין שני החומרים בשירות חומצות-גבוהות
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE ו-PFA בשירות חומצה גופרתית ב-150 מעלות עם 50% חומצה גופרתית.
| מְאַפיֵן | מחליף חום PTFE | מחליף חום PFA | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית | 260 מעלות | 260 מעלות | לְהִשְׁתַווֹת |
| חוזק מתיחה ב-150 מעלות | 70% מ-RT | 60% מ-RT | PTFE |
| חוזק מתיחה ב-200 מעלות | 50% מ-RT | 35% מ-RT | PTFE |
| עמידות בזחילה ב-150 מעלות | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | PTFE |
| עמידות בזחילה ב-200 מעלות | לְמַתֵן | נָמוּך | PTFE |
| חוזק ריתוך | 70-85% מההורים | 90-95% מההורים | PFA |
| חלקות פני השטח | טוֹב | מְעוּלֶה | PFA |
| התנגדות עיקול | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | PFA |
| עמידות כימית לחומצה גופרתית | מְעוּלֶה | מְעוּלֶה | לְהִשְׁתַווֹת |
| חיי שירות בחומצה-בטמפרטורה גבוהה | 10-15 שנים | 8-12 שנים | PTFE |
| עלות הונית למס 30 קילוואט | $28,000 | $32,000 | PTFE |
| עלות התקנה | $3,000 | $3,000 | לְהִשְׁתַווֹת |
| עלות תחזוקה שנתית | $2,000 | $2,500 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $50,000 | $55,000 | PTFE |
ערכי העלות הכוללת של חמש- השנים מניחים ערך ייצור של $600 לשעה וכוללים את עלות ההון, עלות ההתקנה ועלות התחזוקה לאורך חמש שנים.
כאשר PFA היא הבחירה הטובה יותר
PFA הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-טוהר גבוה.ל-PFA יש משטח חלק יותר ויצירת חלקיקים נמוכה יותר מ-PTFE, מה שהופך אותו למתאים ליישומים מוליכים למחצה ותרופות שבהם זיהום החלקיקים מהווה דאגה.
שירות חיטוי.משטח ה-PFA החלק יותר מפחית את ההידבקות של משקעים, מה שמפחית את קצב ההתכלות ואת תדירות הניקוי.
שירות קריטי של מפרקים מרותכים{{0}.ריתוך PFA אמינים יותר מאשר ריתוך PTFE, מה שהופך את PFA לבחירה הטובה יותר עבור שירות שבו שלמות המפרק היא קריטית.
שירות טמפרטורה-נמוכה יותר.בטמפרטורות מתחת ל-150 מעלות, שני החומרים מתפקדים היטב, ומשטח ה-PFA החלק יותר והריתוכים האמינים יותר עשויים להעדיף PFA למרות העלות הגבוהה יותר.
רכיבים-מיוצרים בהתאמה אישית.ניתן ליצוק PFA לצורות מורכבות שקשה לייצר עם PTFE, מה שהופך אותו למתאים לרכיבי מחליף חום המיוצרים בהתאמה אישית-.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה גבוהה מעל 200 מעלות.PTFE שומר על החוזק המכני שלו בטמפרטורות מעל 200 מעלות, בעוד PFA מתרכך ומאבד חוזק.
שירות-בלחץ גבוה.ל-PTFE יש התנגדות זחילה גבוהה יותר מ-PFA, מה שהופך אותו למתאים לשירות-בלחץ גבוה כאשר העומס המתמשך גבוה.
שירות מחליף חום גדול.PTFE פחות יקר מ-PFA, מה שהופך אותו למתאים למחלפי חום גדולים שבהם עלות ההון היא גורם משמעותי.
שירות רכיבה על אופניים תרמי.ל-PTFE עמידות בפני זעזועים תרמיים גבוהים יותר מ-PFA, מה שהופך אותו מתאים לשירות עם שינויי טמפרטורה תכופים.
דרישת חיי שירות ארוכים.ל-PTFE יש עמידות טובה יותר לזחילה וחיי שירות ארוכים יותר מ-PFA בשירות-בטמפרטורה גבוהה, מה שהופך אותו למתאים ליישומים שבהם חיי השירות הם גורם קריטי.
פרמטרי מפרט עבור שירות חומצה-גבוהה
מהנדסי ציוד שמעריכים מחליפי חום של PTFE ו-PFA עבור שירות חומצה-גבוהה צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
כימיה של חומצה.ציין את הרכב החומצה, כולל הריכוז והמזהמים.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
לחץ הפעלה.ציין את לחץ הפעולה המקסימלי.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
עיצוב משותף.ציין את עיצוב המפרק-ל-הצינור ואת חוזק הריתוך הנדרש.
גימור פני השטח.ציין את גימור פני השטח הנדרש עבור עיבוי ובקרת חלקיקים.
רכיבה תרמית.ציין את המספר הצפוי וגודלם של מחזורים תרמיים.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפויים ואת לוח הזמנים להחלפה.
התאמת בחירת החומר לטמפרטורה ולדרישות המפרק
הבחירה בין מחליפי חום PTFE ו-PFA בשירות חומצה-גבוהה תלויה בטמפרטורה, בלחץ, בדרישת תקינות המפרק ובדרישת גימור פני השטח. ל-PTFE יש עמידות טובה יותר לזחילה ומגבלת טמפרטורה מעשית גבוהה יותר, בעוד של-PFA יש שלמות ריתוך טובה יותר ומשטח חלק יותר.
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 שירות לחומצה-בטמפרטורה גבוהה המעריכים אפשרויות של מחליפי חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על העלות הכוללת של הבעלות לאורך חיי השירות הצפוי, לא רק על עלות ההון או על הביצועים התרמיים. ליחידת PFA עם עלות הון גבוהה יותר עשויה להיות עלות חיים נמוכה יותר אם היא דורשת פחות תחזוקה ומייצרת פחות חלקיקים.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום של PTFE עבור חומצה-בטמפרטורה גבוהה או שירות קורוזיבי אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה כימיה של חומצה, טמפרטורת הפעלה, לחץ הפעלה, עיצוב מפרק, גימור פני השטח ודרישות חיי שירות כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
