Kõrge{0}}temperatuuri tõusu küsimus
Keemiline protsess nõuab pidevat kuumutamist 180 kraadi juures 6 barg küllastunud auruga. Nii PTFE kui ka PFA (perfluoroalkoksü) torud on hinnatud 260 kraadi pidevaks tööks. Mõlemad on täielikult fluoritud ja keemiliselt inertsed. Soojusvaheti projekteerija peab nende vahel valima, lähtudes mehaanilisest jõudlusest temperatuuril -eelkõige roomamisrebenemise kestvusest siserõhu all.
180 kraadi juures erinevad PTFE ja PFA roomemiskiirused. Erinevus tuleneb nende molekulaarsest arhitektuurist. PTFE on üli-kõrge molekulmassiga lineaarne polümeer, millel on jäik, vardataoline ahela konformatsioon. PFA sisaldab perfluoropropüülvinüüleetri komonomeeri, mis toob sisse lühikesed külgharud, mis häirivad kristallilisust ja muudavad roomamisreaktsiooni.
Küsimus on kvantitatiivne: mitu töötundi annab iga materjal identsete torude mõõtmete ja sisemise aururõhu korral enne roomamist või vastuvõetamatut deformatsiooni? Vastus määrab hooldusintervallid ja elutsükli maksumuse.
Roomamise erinevuse molekulaarne alus
Fluoropolümeeride roomamine toimub molekulaarse ahela libisemise teel. Pideva stressi korral eralduvad polümeeri ahelad aeglaselt ja libisevad üksteisest mööda. Kiirus sõltub ahela pikkusest (molekulmassist), ahela jäikusest, kristallilisusest ja ankrutena toimivate külgharude olemasolust.
PTFE-l on äärmiselt kõrge molekulmass -10⁷–10⁸ g/mol ja kõrge kristallilisus (50–70% esmase PTFE puhul, madalam modifitseeritud klasside puhul). Pikad jäigad ahelad moodustavad ulatuslikke kristalseid domeene, mis takistavad ahela libisemist. Kuigi amorfsed piirkonnad võivad deformeeruda, piiravad neid ümbritsevad kristalliidid.
PFA-l on madalam molekulmass kui PTFE-l ja madalam kristallilisus (30-45%). Perfluoropropüülvinüüleetri külgharud häirivad kristalliseerumist. Kuigi külgharud pakuvad ahela libisemise vastu ankurdamist, -sarnaselt komonomeeri funktsiooniga modifitseeritud PTFE-s, põhjustab üldine madalam kristallilisus ja väiksem molekulmass kõrgemal temperatuuril roomamise kiiremini.
180 kraadi juures on PFA roomemiskiirus võrdse rõngaspinge korral ligikaudu 2–4 korda suurem kui PTFE omal ja 1,5–3 korda suurem modifitseeritud PTFE omast. Kvantitatiivne erinevus tähendab PFA lühemat kasutusiga või paksemaid toruseinu, et saavutada samaväärne eluiga.
| Roomamise parameeter | Neitsi PTFE | Muudetud PTFE | PFA |
|---|---|---|---|
| Tüüpiline molekulmass (g/mol) | 10⁷-10⁸ | 10⁷-10⁸ (külgharudega) | 10⁶-10⁷ |
| kristallilisus (%) | 50-70 | 40-55 | 30-45 |
| Roomamiskiirus 180 kraadi juures, rõngaspinge 3 MPa (%/1000 h) | 0.08-0.15 | 0.04-0.08 | 0.12-0.30 |
| Aeg 2% pingeni 180 kraadi juures, 3 MPa (tundi) | 13,000-25,000 | 25,000-50,000 | 6,500-16,500 |
| Eeldatav kasutusiga 180 kraadi juures, 6 barg (aastat) | 1.5-3 | 3-6 | 0.8-2 |
| Toru seina paksus samaväärse 5-aastase eluea jaoks (mm, 10 mm OD) | 1.5 | 1.2 | 2.0+ |
Disaini mõju
PFA kiirem roomamine 180 kraadi juures ei välista selle kasutamist-see nõuab paksemaid toruseinu, et vähendada rõnga pinget tasemeni, kus roomekiirus on vastuvõetav. Teatud aururõhu ja nõutava kasutusea jaoks peab PFA toru sein olema 30–50% paksem kui modifitseeritud PTFE ekvivalent ja 15–25% paksem kui esmane PTFE.
Paksem sein suurendab materjali maksumust ja vähendab veidi soojusülekannet. Neid karistusi tuleb võrrelda PFA eelistega: keevisühendusi võimaldav sula-töödeldavus, suurem selgus ja veidi parem paindeväsimuskindlus.
Rakendustes 180 kraadi juures, kus soojusvaheti on püsivalt paigaldatud ja mehaanilised ühendused on vastuvõetavad, tagab modifitseeritud PTFE parima tasakaalu roomamise, seina paksuse ja maksumuse vahel. PFA on eelistatud juhul, kui üli-kõrge-puhtusastmega teenuse jaoks on vaja keevitatud ühendusi ja lühemat roomamisiga juhitakse projekteerimise või plaanilise asendamise kaudu.
Kokkuvõte
Modifitseeritud PTFE-soojusvaheti torud tagavad 1,5-3 korda pikema roomamisrebenemise kui PFA-torud 180 kraadi juures võrdse rõngaspinge korral tänu suuremale molekulmassile, kõrgemale kristallilisusele ja modifitseeritud klasside külgharude ankurdusefektile. PFA võib saavutada samaväärse kasutusea, suurendades seina paksust, et vähendada pinget, mille tulemuseks on kõrgemad materjalikulud ja veidi vähenenud soojusülekanne. Enamiku tööstuslike rakenduste jaoks 180 kraadi juures on modifitseeritud PTFE mehaaniliselt parim valik.
Tehniline tugi PTFE ja PFA materjalide valimiseks kindlatel töötemperatuuridel ja -rõhkudel on saadaval pärast aururõhu, nõutava kasutusea, toru mõõtmete ja puhtusnõuete esitamist.
