Како се предност топлотне проводљивости графита претвара у мање, лакше измењиваче?

Графит проводи топлоту преко 300 пута лакше од ПТФЕ. Овај једини атрибут материјала има далекосежне последице у смислу величине, тежине и цене измењивача топлоте. Графит је ефикасан пренос топлоте кроз чврсто језгро, а ПТФЕ-у је потребна велика површина да би се супротставио његовом понашању попут изолације. Ово доводи до значајног смањења отиска опреме и структуралних захтева, што има директан утицај на укупне трошкове инсталације и флексибилност распореда постројења.

Јаз у проводљивости: ПТФЕ наспрам графита
Графит обично има топлотну проводљивост од 80 до 120 В/м·К, што је слично топлотној проводљивости неких метала као што су угљенични челик или ниско{2}} легирани челици. ПТФЕ, с друге стране, има топлотну проводљивост од око 0,25 В/м К, што је отприлике исто као и пластични изолациони материјали. То значи да графитни зид одређене дебљине и температурног градијента проводи топлоту више од 300 пута боље од ПТФЕ.

Топлотна отпорност ПТФЕ измењивача топлоте је обично условљена ниском проводљивошћу ПТФЕ. Топлота мора да прође кроз зид цеви, који, иако танак (често 1-2 мм), ипак представља велику препреку. За постизање потребног укупног преноса топлоте потребна је велика површина. Ова површина се постиже помоћу неколико дугих и сићушних цеви пречника. Ово резултира гломазним сноповима цеви и огромним шкољкама.

Али у измењивачу графита, топлотни ток није ограничен самим материјалом. Доминантни отпори су гранични слојеви флуида са обе стране. Дакле, за исте брзине флуида и околности загађивања графитни измењивач може имати знатно већи укупан коефицијент преноса топлоте (У-вредност) од ПТФЕ јединице.

Квантификација смањења величине
Ефективни коефицијент укупног преноса топлоте (вредност У-) је мера комбинованих ефеката проводљивости материјала, дебљине зида и премаза на течност. За типичан течни{2}}течни посао са умереним запрљањем:

Графитни блок или шкољка{0}}и-измењивач топлоте: У-вредности су често у опсегу од 600 до 1200 В/м2К.

ПТФЕ цевни измењивачи: У-вредности углавном између 200 и 400 В/м2.К.

Средњи{0}}поређење би могло бити да графитни измењивач може имати У-вредност три пута већу од ПТФЕ јединице у истој услузи. Графитном дизајну је потребна само једна-трећина површине преноса топлоте због инверзне пропорционалности између У и потребне површине за пренос топлоте. Међутим, утицај проводљивости је још очигледнији у случају већих-коефицијената филма са стране процеса (нпр. кондензоване паре или-течности велике брзине) где отпорност зида цеви- од ПТФЕ постаје доминантна. У таквим случајевима, предност површине графита може бити до фактора од пет до десет.

Ова неусклађеност у проводљивости доводи до драстичног резултата. Квалитативни пример даје ред величине. За хлађење 100 кВ топле хлороводоничне киселине од 80 степени до 40 степени помоћу расхладне воде може се користити ПТФЕ измењивач са шкољком-и-величине малог аутомобила (нпр. дужине 2-3 м, пречника 0,6 м, са стотинама цеви). Исти посао који би обавио измењивач графитних блокова могао би се обавити са јединицом величине великог кофера (нпр. 0,5 × 0,5 × 0,6 м). Разлика у запремини може бити 5:1 или већа.

Тежина и структурне последице
Што је мања физичка величина, мање ће тежити. Компактни измењивач топлоте графита са топлотном проводљивошћу је обично 50-70% лакши од ПТФЕ измењивача који обавља исту термичку функцију. Унутрашње графитно језгро заузима мање простора, што значи да је потребно мање материјала за шкољку (углавном угљенични челик или нерђајући челик). Лакша опрема захтева мање значајних структуралних ослонаца, штеди трошкове транспорта и олакшава инсталацију, посебно на високим или загушеним локацијама.

У апликацијама за накнадну уградњу, где постојећи темељи или приступни путеви ограничавају расположиви подни простор, компактност графитних измењивача обично одређује да ли се решење отпорно на корозију уопште може инсталирати. ПТФЕ измењивачи захтевају огромне површине и знатне размаке да би се уклонио сноп цеви и можда се једноставно не уклапају у локацију са постојећом цеви и опремом.

Примери примене где је компактност важна
Фармацеутска и фина хемијска индустрија раде у скупим чистим просторијама или провереним условима. Сваки квадратни метар површине је скуп за изградњу и рад. Измењивачи графита омогућавају процесним инжењерима да уграде хлађење или грејање високих{2}}перформанси у уске процесне оквире, остављајући простор за другу опрему. Мала величина такође може да минимизира потребну оцену система за грејање, вентилацију и{4}}климатизацију (ХВАЦ) за чисто окружење.

Ограничен приступ око резервоара и транспортних система је уобичајен у операцијама кисељења и површинске обраде. Измењивачи графитних блокова се могу причврстити директно на зидове резервоара или сакрити испод платформи. ПТФЕ сноп би морао да има засебну самостојећу-самосталну шкољку са доста простора за цев{3}}.

Мала мртва запремина и брз температурни одзив су потребни за производњу полупроводника и ултра чисте хемикалије. Компактни дизајн графита минимизира запремину задржавања и побољшава контролу процеса и смањује губитак производа током промене нивоа.

Када жртвовати компактност због других разлога
Али постоји цена коју треба платити за мали дизајн графитних измењивача. Као што је описано на другим страницама, графит је крхак и не подноси механичке ударе или вибрације. ПТФЕ, иако веће величине, пружа отпорност на водене ударце и неусклађеност. ПТФЕ, иако већи, и даље може бити опција за апликације где простор није проблем и механичка поузданост је важна.

Међутим, за било који нови објекат или проширење које карактерише скупа некретнина или чврсто збијени процесни клизач, компактни дизајн измењивача топлоте високе графита топлотне проводљивости је често најекономичнија алтернатива. Мања јединица такође смањује запремину скупих шкољки од легуре, фитинга млазница и изолације.

Закључак:
Велика продајна тачка графита је у томе што може да обезбеди високе стопе преноса топлоте у малом паковању- нешто што ПТФЕ једноставно не може да уради на основном нивоу. Топлотна проводљивост 300 пута већа од ПТФЕ резултира укупним коефицијентом преноса топлоте три до десет пута већим, а много мањи и лакши измењивач може да изврши дати задатак. Графит је атрактиван за примене као што су фармацеутска, фина хемијска и површинска завршна обрада где су површина пода, оптерећење конструкције и трошкови инсталације кључни. Одабир материјала мора укључивати не само хемијску компатибилност, већ и цјелокупне трошкове инсталације с обзиром на простор и структурне аспекте. Компактност графита није само побољшање када је постојеће постројење ограничено величином великог ПТФЕ измењивача, већ може бити фактор који омогућава пренос топлоте-отпоран на корозију.