Kaalu imperatiiv lennunduses
Õhusõidukite ja kosmosesõidukite keemilise töötlemise süsteemid-korrosioonikaitse pinnatöötlus, mootorikomponentide puhastuslahused, termoreguleerimisvedelikud-kehtivad piiranguid, mida maapealsetes-keemiatehastes ei leidu: iga seadme massi kilogramm vähendab otseselt kandevõimet. Kommertslennuki puhul tähendab säästetud kilogramm umbes 500 dollari kütusesäästu lennuki eluea jooksul. Kosmoselaeva puhul on stardikulud kilogrammi kohta madalal Maa orbiidil vahemikus 2500–5000 dollarit.
Soojusvahetid on kosmosetööstuse keemiliste töötlemissüsteemide raskemate komponentide hulgas. Nende massi määrab materjali tihedus, soojuskoormuse jaoks vajalik pindala ja vajalik konstruktsiooniline tugi. Titaan-pallaadiumisulam (Ti-0,2Pd, klass 7) on standardne metallivalik korrosioonikindlate kosmosesoojusvahetite jaoks. See ühendab titaani korrosioonikindluse pallaadiumi suurenenud passiivsusega.
PTFE vähendab radikaalset kaalu. Materjali tihedus on 2200 kg/m³ võrreldes 4510 kg/m³ titaan-pallaadiumi-vähem kui poolega. Koos raskete metallist päiste ja tugistruktuuride kõrvaldamisega on PTFE soojusvaheti paigaldatud kaal tavaliselt 15-25% titaan-pallaadiumi ekvivalendist.
Kaalu jaotuse võrdlus
Kaalu võrdlust illustreerib 30 kW soojusvaheti kosmosetööstuse keemiliseks töötlemiseks. Titaan-pallaadiumiüksus on kompaktne kesta-ja-toru, millel on 1,0 m² soojusülekandepind. Madalama soojusjuhtivuse tõttu vajab PTFE-seade 3,5 m² pinda, et pakkuda samaväärset LMTD-d.
Vaatamata 3,5-kordsele pindalale, kaalub PTFE seade oluliselt vähem. PTFE torud kaaluvad 1,8 kg (3,5 m² × 0,8 mm sein × 2200 kg/m³). PTFE heedikud ja tugiraam lisavad 3,5 kg. PTFE kogu kuivkaal: 5,3 kg.
Titaan{0}}pallaadiumitorud kaaluvad 4,5 kg (1,0 m² × 1,0 mm sein × 4510 kg/m³). Titaanist kest, torulehed ja tugiraam lisavad 22 kg. Titaan-pallaadiumi kuivkaal kokku: 26,5 kg.
| Kaalu parameeter | Titaan{0}}pallaadium (7. klass) | PTFE |
|---|---|---|
| Pindala 30 kW koormuse jaoks (m²) | 1.0 | 3.5 |
| Toru materjali tihedus (kg/m³) | 4,510 | 2,200 |
| Toru seina paksus (mm) | 1.0 | 1.0 |
| Toru mass (kg) | 4.5 | 1.8 |
| Päiste/kesta mass (kg) | 15 | 2.0 |
| Tugiraami mass (kg) | 7 | 1.5 |
| Kogu kuivkaal (kg) | 26.5 | 5.3 |
| Kaalu-ja-koormussuhe (kg/kW) | 0.88 | 0.18 |
| Paigaldatud kaal (koos toruühendustega, kg) | 32 | 8 |
| Kasuliku koorma trahv on 3000 $/kg käivitamiskulu kohta | $96,000 | $24,000 |
Konstruktsiooni- ja paigalduskaalu kaskaad
PTFE kaalueelis ulatub kaugemale soojusvahetist endast. Titaan-pallaadiumiseade, mis kaalub 26,5 kg kuivana, vajab konstruktsiooni kinnituspunkte, mis on arvestatud staatilise kaalu ning vibratsioonist ja manööverdamisest tulenevate dünaamiliste koormustega. Lennuki või kosmosesõiduki konstruktsiooni tuleb kohapeal tugevdada, et seda kontsentreeritud massi toetada. Konstruktsioonitugevdus lisab massi, mis liigub läbi sõiduki disaini.
5,3 kg PTFE seadet saab toetada paagi konstruktsiooni enda või minimaalse kinnitusega. Jaotatud kerge koormus ei vaja kohalikku konstruktsiooni tugevdamist. Paigaldamise kaal-, mis sisaldab torude ühendusi, isolatsiooni ja konstruktsiooni kinnitusi-on ligikaudu üks-veerand titaanist-pallaadiumi paigaldusmassist.
PTFE-paigaldise kasuliku koormuse kogutrahv on kaubandusliku käivitamise kulude puhul ligikaudu 24 000 dollarit, võrreldes titaan-pallaadiumisüsteemi 96 000 dollariga. 72 000-dollarine kasuliku kandevõime kokkuhoid soojusvaheti kohta on oluline tegur lennundussüsteemide projekteerimisel.
Korrosiooni ja hoolduse sünergia
PTFE kaalueelist täiendab selle korrosioonikindlus. Kuigi titaan-pallaadium on väga vastupidav, ei ole see immuunne kõikide kosmosekemikaalide suhtes. Teatud fluoritud hüdrovedelikud, happelised puhastuslahused ja lahustite segud võivad passiivset kilet rünnata. Iga korrosioonijuhtum, mis nõuab soojusvaheti väljavahetamist, ei too kaasa mitte ainult seadmete maksumust, vaid ka asendamise käivitamisega kaasnevat kandevõimet.
PTFE universaalne keemiline inertsus välistab{0}}korrosioonist tingitud asendamise. Sõiduki kasutuselevõtul paigaldatud soojusvaheti jääb tööle kogu sõiduki eluea jooksul. Kasuliku koormuse trahv -sõidukis hoiustatud või asendusena turule lastud -varusoojusvahetite eest on kaotatud.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetite massi-ja-jõudlussuhe on ligikaudu 4,9 korda soodsam kui titaani-pallaadiumisulam, mis on ette nähtud kosmosetööstuse keemiliseks töötlemiseks-0,18 kg/kW versus 0,88 kg/kW paigaldatud kaal. Kaalu vähenemine saavutatakse hoolimata PTFE madalamast soojusjuhtivusest, mis nõuab suuremat pinda, sest fluoropolümeeri madal tihedus ja raskete metallstruktuuride kõrvaldamine kompenseerivad seda enam kui kompenseerivalt. Kaubanduslike käivituskuludega säästev kasulik koormus -ligikaudu 72 000 dollarit soojusvaheti kohta on kosmosesüsteemide projekteerimisel kaalukas tegur.
Insenertehniline tugi kerge PTFE soojusvaheti projekteerimiseks kosmoserakendustes on saadaval soojusvõimsuse, töötemperatuuri ja rõhu, protsessivedelike keemia ja massieelarve piirangute esitamisel.
