ציווי המשקל בתעופה וחלל
מערכות עיבוד כימיות של מטוסים וחלליות-טיפול פני השטח להגנה מפני קורוזיה, פתרונות ניקוי לרכיבי מנוע, נוזלי בקרה תרמית-מטילים אילוץ שלא נמצא במפעלים כימיים מבוססי-קרקע: כל קילוגרם של מסת ציוד מפחית ישירות את קיבולת המטען. במטוס מסחרי, קילוגרם חסכון מתורגם לחיסכון של כ-500 דולר בדלק לאורך חיי המטוס. בחללית, עלות השיגור לקילוגרם למסלול נמוך של כדור הארץ נע בין 2,500 ל-5,000 דולר.
מחליפי חום הם בין הרכיבים הכבדים יותר במערכות עיבוד כימיים בתעופה וחלל. המסה שלהם נקבעת על ידי צפיפות החומר, שטח הפנים הנדרש לחובת החום והתמיכה המבנית הדרושה. סגסוגת טיטניום-פלדיום (Ti-0.2Pd, דרגה 7) היא הבחירה המתכתית הסטנדרטית עבור מחליפי חום וחלל עמידים בפני קורוזיה. הוא משלב את העמידות בפני קורוזיה של טיטניום עם הפסיביות המשופרת של פלדיום.
PTFE מציע הפחתת משקל רדיקלית. צפיפות החומר היא 2,200 ק"ג/מ"ר לעומת 4,510 ק"ג/מ"ר עבור טיטניום-פלדיום- פחות ממחצית. בשילוב עם ביטול כותרות מתכתיות כבדות ומבני תמיכה, המשקל המותקן של מחליף חום PTFE הוא בדרך כלל 15-25% מהערך המקביל של טיטניום-פלדיום.
השוואת התפלגות המשקל
מחליף חום של 30 קילוואט לעיבוד כימי תעופה וחלל ממחיש את השוואת המשקל. יחידת הטיטניום-פלדיום היא עיצוב מעטפת-ו-קומפקטית עם 1.0 מ"ר של משטח העברת חום. יחידת PTFE דורשת 3.5 מ"ר של משטח כדי לספק את אותה חובה ב-LMTD שווה ערך, בשל המוליכות התרמית הנמוכה יותר.
למרות הצורך פי 3.5 משטח הפנים, יחידת ה-PTFE שוקלת פחות משמעותית. צינורות ה-PTFE שוקלים 1.8 ק"ג (3.5 מ"ר × 0.8 מ"מ קיר × 2,200 ק"ג/מ"ר). כותרות ה-PTFE ומסגרת התמיכה מוסיפים 3.5 ק"ג. משקל יבש כולל PTFE: 5.3 ק"ג.
צינורות הפלדיום-מטיטניום שוקלים 4.5 ק"ג (1.0 מ"ר × 1.0 מ"מ דופן × 4,510 ק"ג/מ"ר). מעטפת הטיטניום, יריעות הצינור ומסגרת התמיכה מוסיפים 22 ק"ג. משקל יבש הכולל טיטניום-פלדיום: 26.5 ק"ג.
| פרמטר משקל | טיטניום-פלדיום (כיתה ז') | PTFE |
|---|---|---|
| שטח פני השטח עבור עבודה של 30 קילוואט (מ"ר) | 1.0 | 3.5 |
| צפיפות חומר הצינור (ק"ג/מ"ר) | 4,510 | 2,200 |
| עובי דופן הצינור (מ"מ) | 1.0 | 1.0 |
| מסת צינור (ק"ג) | 4.5 | 1.8 |
| כותרות/מסת מעטפת (ק"ג) | 15 | 2.0 |
| מסת מסגרת תמיכה (ק"ג) | 7 | 1.5 |
| משקל יבש כולל (ק"ג) | 26.5 | 5.3 |
| יחס משקל-ל-תפקיד (ק"ג/ק"ו) | 0.88 | 0.18 |
| משקל מותקן (כולל חיבורי צנרת, ק"ג) | 32 | 8 |
| קנס מטען של $3,000/ק"ג עלות השקה | $96,000 | $24,000 |
מפל משקל המבנה וההתקנה
יתרון המשקל של PTFE משתרע מעבר למחליף החום עצמו. יחידת הפלדיום-מטיטניום, במשקל 26.5 ק"ג יבשה, דורשת נקודות חיבור מבניות המדורגות למשקל הסטטי בתוספת עומסים דינמיים מרטט ותמרון. יש לחזק את מבנה המטוס או החללית באופן מקומי כדי לתמוך במסה המרוכזת הזו. החיזוק המבני מוסיף מסה שעוברת דרך עיצוב הרכב.
יחידת PTFE במשקל 5.3 ק"ג יכולה להיתמך על ידי מבנה המיכל עצמו או על ידי סוגר מינימלי. העומס הקל המפוזר אינו דורש חיזוק מבני מקומי. משקל ההתקנה-שכולל חיבורי צנרת, בידוד וחיבורים מבניים-הוא כ-רבע ממשקל התקנת הפלדיום-מטיטניום.
הקנס הכולל של המטען עבור התקנת ה-PTFE הוא כ-24,000 דולר בעלויות השקה מסחריות, בהשוואה ל-96,000 דולר עבור מערכת הפלדיום-טיטניום. החיסכון של 72,000 דולר בקיבולת מטען לכל מחליף חום הוא גורם משמעותי בתכנון מערכות תעופה וחלל.
סינרגיית הקורוזיה והתחזוקה
יתרון המשקל של PTFE משלים על ידי חסינות הקורוזיה שלו. טיטניום-פלדיום, למרות שהוא עמיד מאוד, אינו חסין בפני כל הכימיקלים של תעופה וחלל. נוזלים הידראוליים מופלרים מסוימים, פתרונות ניקוי חומציים וממיסים מעורבים יכולים לתקוף את הסרט הפסיבי. כל אירוע קורוזיה הדורש החלפת מחליף חום כרוך לא רק בעלות הציוד אלא גם בעונש המטען של השקת החלפה.
האדישות הכימית האוניברסלית של PTFE מבטלת החלפה מונעת-החלפה. מחליף החום שהותקן בעת הפעלת הרכב נשאר בשירות לכל חיי הרכב. קנס המטען עבור מחליפי חום רזרביים-שמאוחסנים ברכב או שהופעלו כמחליפים-בוטל.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE מציעים יחס משקל-ל-ביצועים נוחים יותר בערך פי 4.9 מסגסוגת פלדיום טיטניום-לעיבוד כימי בתעופה וחלל-0.18 ק"ג/קילו"ט לעומת משקל מותקן של 0.88 ק"ג/ק"ו. הפחתת המשקל מושגת למרות המוליכות התרמית הנמוכה יותר של PTFE הדורשת יותר שטח פנים, מכיוון שהצפיפות הנמוכה של הפלואורופולימר וביטול מבנים מתכתיים כבדים יותר מפצים. קיבולת המטען שנחסכה-כ-$72,000 לכל מחליף חום בעלויות שיגור מסחריות - היא גורם משכנע בתכנון מערכות תעופה וחלל.
תמיכה הנדסית בתכנון מחליף חום קל משקל ביישומי תעופה וחלל זמינה עם הגשת חובת חום, טמפרטורת הפעלה ולחץ, כימיה של נוזל תהליך ומגבלות תקציב המוני.
