Stabiilsuse küsimus
Keemiatehas määrab soojusvaheti 80% väävelhappe jaoks 120 kraadi juures. Eelnimekirjas on kaks materjali: mitteläbilaskev grafiit ja PTFE. Mõlemad peavad sellel kontsentratsioonil ja temperatuuril vastu väävelhappele. Mõlemal on ulatuslikud tööstuslikud kogemused. Valikuotsus sõltub sellest, milline materjal tagab 10-aastase disainiea jooksul stabiilsema soojustõhususe.
Esialgsed soojusülekande arvutused soosivad grafiiti. Selle soojusjuhtivus 80–120 W/m·K on ligikaudu 400 korda kõrgem kui PTFE 0,25 W/m·K. Selle teenuse grafiidist soojusvaheti vajab oluliselt vähem pinda. Seadmete esialgne maksumus on madalam. Paigaldatud jalajälg on väiksem.
Kuid esialgne jõudlus pole küsimus. Küsimus on jõudluse stabiilsuses. Kas grafiitvaheti säilitab oma termilise eelise kümneaastase pideva happega kokkupuute ajal? Vastus sõltub lagunemismehhanismidest, mis kuumas väävelhappes töötavad aeglaselt, kuid kumulatiivselt.
Grafiidi lagunemine kuumas väävelhappes
Läbilaskmatut grafiiti valmistatakse poorse grafiidi immutamisel fenool- või furaanvaiguga. Vaik täidab poorid, muutes materjali töötlemisvedelikele mitteläbilaskvaks. See komposiitkonstruktsioon on keemiliselt vastupidav, kuid mitte keemiliselt inertne.
Väävelhape 80% kontsentratsioonis ja 120 kraadi juures ründab vaigu immutust läbi kahe mehhanismi. Happeline hüdrolüüs lõhub vaigupolümeeri keemilised sidemed, vähendades järk-järgult selle molekulmassi ja mehaanilist terviklikkust. Kuuma kontsentreeritud happega oksüdeerimine toob kaasa karbonüül- ja karboksüülrühmad, nõrgestades veelgi vaigu struktuuri.
Kui vaik laguneb, muutub grafiitmaatriks happele aeglaselt ligipääsetavaks. Grafiit ise peab väävelhappele vastu, kuid vaigu lagunemisel tekkiv poorsus võimaldab happel sügavamale materjali tungida. Soojusjuhtivus hakkab langema, kui vaik-grafiitside halveneb ja liidesele tekivad mikroskoopilised tühimikud.
Lagunemiskiirus sõltub temperatuurist, happe kontsentratsioonist ja konkreetsest vaigusüsteemist. Fenool-immutatud grafiit 80% H₂SO₄-s 120 kraadi juures näitab tavaliselt mõõdetavat soojusjuhtivuse langust 3-5 aasta pärast. Furaan{10}}immutatud grafiit toimib paremini, kuid laguneb siiski järk-järgult. Aastaks 8-10 võib soojusjuhtivus olla langenud 15-25% paigaldusväärtusest.
Tabel 1: termilise jõudluse stabiilsuse võrdlus 80% H₂SO₄ 120 kraadi juures 10 aasta jooksul
| Jõudlusparameeter | Mitteläbilaskev grafiit (fenoolne) | Mitteläbilaskev grafiit (furaan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Esialgne soojusjuhtivus (W/m·K) | 100 | 100 | 0.25 |
| 3. aasta juhtivuse säilitamine | 90-95% | 93-97% | 100% |
| 5. aasta juhtivuse säilitamine | 80-90% | 88-94% | 100% |
| 10. aasta juhtivuse säilitamine | 70-85% | 80-90% | 100% |
| Lagunemise mehhanism | Vaigu hüdrolüüs, oksüdatsioon | Vaigu hüdrolüüs (aeglasem) | Mitte ühtegi |
| Nõutava pinna suurendamine kompenseerimiseks | 15-40% disainiea jooksul | 10-25% disainiea jooksul | 0% |
| Rikkerežiim | Happe tungimine grafiidisüdamikusse | Happe tungimine (viivitatud) | Puudub (keemiline) |
PTFE: Aja jooksul ei lagune
PTFE-l ei ole lagundatavat vaigu immutusainet. See on kogu ulatuses 100% fluoropolümeer. Süsinik-fluori sidemed, mis annavad sellele madala soojusjuhtivuse, on samad sidemed, mis annavad sellele väävelhappes absoluutse keemilise stabiilsuse. Happel puudub mehhanism, mis muudaks materjali struktuuri või omadusi.
PTFE soojusjuhtivus jääb muutumatuks 0,25 W/m·K alates esimesest päevast kuni kümnenda aastani ja pärast seda. Toru seina paksus jääb muutumatuks. Soojusülekande pindala jääb konstantseks. Üldine soojusülekandetegur jääb stabiilseks, eeldades, et välist saastumist juhitakse.
See stabiilsus lihtsustab soojusvaheti suuruse määramist. Tulevase halvenemise kompenseerimiseks ei ole vaja ülemõõdulist tegurit. Ühepäevaseks-tööks mõeldud soojusvaheti täidab seda ülesannet ka kümme aastat hiljem. Ainsad kohandused soojusülekande jõudluses tulenevad välistest teguritest, -mis on protsessi poolel määrdunud või katlakivi auru poolel,-mis mõjutavad võrdselt nii grafiiti kui ka PTFE-d ja mida juhitakse tavapärase hooldusega.
Ülemõõdu arvutamine
Grafiidi lagunemise praktiline tagajärg on see, et esialgne soojusvaheti peab olema liiga suur, et kompenseerida tulevasi soojustõhususe kadu. Fenool-immutatud grafiidiga 100 kW tööks mõeldud soojusvaheti võib ehitada 120 kW jaoks, et võimaldada 20% juhtivuse langust 10 aasta jooksul.
See ülemõõtmine kulutab grafiidi esialgse suuruse ja kulueelise. Suuremõõtmeline grafiidivaheti läheneb PTFE ekvivalendi suurusele. Kui arvestada ülegabariidikulu, väheneb grafiidi ja PTFE vaheline algkapitali kulu märkimisväärselt.
Kokkuvõte
Kuumas 80% väävelhappes olevate grafiitsoojusvahetite soojusjuhtivus väheneb järk-järgult vaigu immutusaine lagunemise tõttu. Fenool-immutatud grafiit võib 10 aasta jooksul kaotada 15-30% oma soojustõhususest. Furaaniga immutatud grafiit läheb paremini, kuid laguneb siiski.
PTFE soojusvahetid ei koge sama perioodi jooksul keemilisest koostoimest tulenevat soojusliku jõudluse halvenemist. Fluoropolümeerile omane inertsus välistab lagunemismehhanismi. PTFE algse soojusjuhtivuse ohverdab see absoluutse pikaajalise{2}}stabiilsuse tõttu.
Konkreetsete väävelhapperakenduste grafiidi ja PTFE soojusvaheti valiku tehniline analüüs on saadaval happe kontsentratsiooni, töötemperatuuri, kavandatud kasutusea ja seadme praeguse tööajaloo esitamisel.
