Grafitin Isıl İletkenlik Avantajı Daha Küçük, Daha Hafif Eşanjörlere Nasıl Dönüşür?

Grafit, ısıyı PTFE'den 300 kat daha kolay iletir. Bu tek malzeme özelliğinin, bir ısı eşanjörünün boyutu, ağırlığı ve maliyeti açısından geniş kapsamlı sonuçları vardır. Grafit, sıkı çekirdek boyunca etkili bir ısı iletimidir ve PTFE'nin yalıtım benzeri davranışını ortadan kaldırmak için geniş yüzey alanına ihtiyacı vardır. Bu, ekipman ayak izinde ve yapısal taleplerde önemli bir azalmaya yol açar ve bu da toplam kurulum maliyeti ve tesis yerleşimi esnekliği üzerinde doğrudan etkiye sahiptir.

İletkenlik Açığı: PTFE ve Grafit
Grafit genellikle 80 ila 120 W/m·K arasında bir termal iletkenliğe sahiptir; bu, karbon çeliği veya düşük- alaşımlı çelikler gibi bazı metallerin termal iletkenliğine benzerdir. Öte yandan PTFE'nin ısıl iletkenliği yaklaşık 0,25 W/m·K'dir, bu da plastik yalıtım malzemeleriyle hemen hemen aynıdır. Bu, belirli bir kalınlık ve sıcaklık gradyanına sahip bir grafit duvarın ısıyı PTFE'den 300 kat daha iyi ilettiği anlamına gelir.

PTFE ısı eşanjörünün termal direnci genellikle PTFE'nin düşük iletkenliği tarafından yönetilir. Isı, ince olmasına rağmen (çoğunlukla 1-2 mm) boru duvarından geçmek zorundadır, yine de büyük bir engel oluşturur. Gerekli toplam ısı transferini elde etmek için büyük bir yüzey alanı gereklidir. Bu yüzey alanı çok sayıda uzun ve küçük çaplı tüplerle elde edilir. Bu, hacimli tüp demetleri ve devasa kabuklarla sonuçlanır.

Ancak bir grafit eşanjörde ısı akışı malzemenin kendisiyle sınırlı değildir. Baskın dirençler her iki taraftaki akışkan sınır katmanlarıdır. Dolayısıyla aynı akışkan hızları ve kirlenme koşulları için bir grafit eşanjörün toplam ısı transfer katsayısı (U-değeri) bir PTFE ünitesinden önemli ölçüde daha yüksek olabilir.

Boyut Küçültme Miktarının Belirlenmesi
Etkin toplam ısı transfer katsayısı (U-değeri), malzeme iletkenliği, duvar kalınlığı ve kaplamanın sıvı üzerindeki birleşik etkilerinin bir ölçüsüdür. Orta düzeyde kirlenmeye sahip tipik bir sıvı-sıvı iş için:

Grafit blok veya kabuk-ve-borulu ısı eşanjörü: U-değerleri genellikle 600 ila 1200 W/m2K aralığındadır.

PTFE tüp eşanjörleri: U-değerleri genellikle 200 ile 400 W/m2.K arasındadır.

Orta-aralıktaki bir karşılaştırma, bir grafit değiştiricinin aynı hizmetteki bir PTFE ünitesinden üç kat daha yüksek bir U-değerine sahip olabileceği şeklinde olabilir. U ile ihtiyaç duyulan ısı transfer alanı arasındaki ters orantı nedeniyle, grafit tasarımı ısı transfer alanının yalnızca-üçte birine ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, PTFE'nin tüp-duvar direncinin baskın hale geldiği proses-yan film katsayılarının daha yüksek olması durumunda (örneğin, yoğunlaşan buharlar veya yüksek-hızlı sıvılar) iletkenlik etkisi daha da belirgindir. Bu gibi durumlarda grafitin alan avantajı beş ila on kata kadar çıkabilir.

İletkenlikteki bu uyumsuzluk ciddi bir sonuca yol açar. Niteliksel bir örnek bir büyüklük sırası sağlar. 100 kW'lık sıcak hidroklorik asidi soğutma suyuyla 80 dereceden 40 dereceye soğutmak için, küçük bir otomobil boyutunda (örneğin, 2-3 m uzunluğunda, 0,6 m çapında, yüzlerce tüplü) bir PTFE kabuk-ve-borulu değiştiricinin kullanılması gerekebilir. Bir grafit blok değiştiricinin üstleneceği işin aynısı, büyük bir çanta büyüklüğündeki (örneğin, 0,5 x 0,5 x 0,6 m) bir ünite ile de yapılabilir. Hacim farkı 5:1 veya daha fazla olabilir.

Ağırlık ve yapısal sonuçlar
Fiziksel boyut ne kadar küçük olursa, ağırlığı da o kadar az olur. Grafit termal iletkenliğe sahip kompakt bir ısı eşanjörü, aynı termal işlevi gerçekleştiren bir PTFE eşanjöründen tipik olarak %50-70 daha hafiftir. Dahili grafit çekirdek daha az yer kaplar, bu da daha az kabuk malzemesine ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir (çoğunlukla karbon çeliği veya paslanmaz çelik). Daha hafif ekipmanlar daha az önemli yapısal destek gerektirir, nakliye masraflarından tasarruf sağlar ve özellikle yüksek veya sıkışık sahalarda kurulumu kolaylaştırır.

Mevcut temellerin veya erişim yollarının mevcut zemin alanını sınırladığı yenileme uygulamalarında, grafit eşanjörlerin kompaktlığı genellikle korozyona dayanıklı bir çözümün kurulup kurulamayacağını belirler. PTFE eşanjörleri, boru demetini çıkarmak için çok büyük kaplama alanlarına ve önemli açıklıklara ihtiyaç duyar ve mevcut boru ve ekipmanın bulunduğu bir konuma sığmayabilir.

Kompaktlığın önemli olduğu uygulama örnekleri
İlaç ve ince kimya endüstrileri pahalı temiz oda koşullarında veya doğrulanmış koşullarda çalışır. Zemin alanının her metrekaresinin inşa edilmesi ve işletilmesi maliyetlidir. Grafit eşanjörler, süreç mühendislerinin yüksek-performanslı soğutma veya ısıtmayı dar süreç kızaklarına sığdırarak diğer ekipmanlara yer bırakmasını sağlar. Küçük boyut aynı zamanda temiz ortamlar için gereken ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme (HVAC)-sistemlerini de en aza indirebilir.

Asitleme ve yüzey bitirme operasyonlarında tankların ve konveyör sistemlerinin etrafına sınırlı erişim yaygındır. Grafit blok eşanjörlerin doğrudan tank duvarlarına takılması veya platformların altına gizlenmesi mümkündür. Bir PTFE paketinin, bol miktarda tüp-çekme alanına sahip, ayrı-bağımsız bir kabuğa sahip olması gerekir.

Yarı iletken ve ultra saf kimyasal üretimi için düşük ölü hacim ve hızlı sıcaklık tepkisi gereklidir. Grafitin kompakt tasarımı, tutma hacmini en aza indirir, proses kontrolünü iyileştirir ve kalite değişimi sırasında ürün kaybını azaltır.

Diğer Hususlar İçin Kompaktlıktan Ne Zaman Fedakarlık Edilmeli?
Ancak grafit eşanjörlerin küçük tasarımının ödenmesi gereken bir bedeli vardır. Diğer sayfalarda açıklandığı gibi grafit kırılgandır ve mekanik şok veya titreşime dayanmaz. PTFE, boyutu daha büyük olmasına rağmen su darbesine ve yanlış hizalamaya karşı dayanıklılık sağlar. PTFE, daha büyük olmasına rağmen, alanın sorun olmadığı ve mekanik güvenilirliğin önemli olduğu uygulamalar için hala bir seçenek olabilir.

Bununla birlikte, pahalı gayrimenkuller veya sıkı paketlenmiş proses kızaklarıyla karakterize edilen herhangi bir yeni tesis veya genişletme için, yüksek grafit termal iletkenliğe sahip kompakt ısı eşanjörü tasarımı genellikle en ekonomik alternatiftir. Daha küçük ünite aynı zamanda pahalı alaşım kabukların, nozul bağlantı parçalarının ve yalıtımın hacmini de azaltır.

Çözüm:
Grafitin en büyük avantajı, küçük bir pakette yüksek ısı transfer hızları sağlayabilmesidir- ki bu, PTFE'nin temel düzeyde sağlayamayacağı bir şeydir. PTFE'nin 300 katı termal iletkenlik, genel ısı transfer katsayılarının üç ila on kat daha yüksek olmasını sağlar ve çok daha küçük ve daha hafif bir eşanjör belirli bir görevi yerine getirebilir. Grafit, zemin alanının, yapısal yükün ve kurulum maliyetlerinin çok önemli olduğu farmasötik, ince kimyasal ve yüzey bitirme gibi uygulamalar için caziptir. Malzeme seçimi yalnızca kimyasal uyumluluğu değil aynı zamanda alan ve yapısal hususlar dikkate alınarak tüm kurulum maliyetini de içermelidir. Grafitin kompaktlığı, mevcut bir tesisin büyük bir PTFE eşanjörünün boyutuyla sınırlı olması durumunda yalnızca bir iyileştirme sağlamakla kalmaz, aynı zamanda korozyona- dirençli ısı transferini mümkün kılan kolaylaştırıcı bir faktör olabilir.