Аттракцион наполнителя
Нитрид бора (BN) добавляется в ПТФЭ в качестве наполнителя для увеличения теплопроводности. Частицы BN, диспергированные по матрице ПТФЭ, обеспечивают проводящие пути через изолирующий полимер. Теплопроводность ПТФЭ, наполненного BN-, на 0,5-1,0 Вт/м·К-2-4 раза выше, чем исходного ПТФЭ при 0,25 Вт/м·К. Это усовершенствование позволяет уменьшить площадь поверхности теплообменника при той же тепловой нагрузке, уменьшая занимаемую площадь и стоимость теплообменника.
Однако преимущество теплопроводности наполненного ПТФЭ не обязательно является постоянным. Длительное -воздействие повышенной температуры-нормальное рабочее состояние парового-теплообменника с подогревом-может изменить интерфейс матрицы наполнителя-. Термическое циклирование может создать микро-зазоры между частицами наполнителя и матрицей из ПТФЭ. Теплопроводность со временем ухудшается.
Механизм старения
Коэффициент теплового расширения BN (приблизительно 1-4 × 10⁻⁶/градус) намного ниже, чем у ПТФЭ (120 × 10⁻⁶/градус). Во время термоциклирования матрица ПТФЭ расширяется и сжимается гораздо сильнее, чем частицы наполнителя BN. Дифференциальное расширение создает циклическое напряжение сдвига на границе раздела частица-матрица. За сотни или тысячи циклов интерфейс может отсоединиться. Между частицей и матрицей образуется микроскопический зазор.
Этот зазор заполнен воздухом или парами технологической жидкости,-оба из которых имеют очень низкую теплопроводность. Зазор действует как термическое сопротивление, снижая эффективную проводимость композита. Чем больше циклов испытывает материал, тем больше поверхностей раздела разрушается и тем ниже становится теплопроводность.
У чистого ПТФЭ нет наполнителя, промежуточного слоя и механизма дифференциального расширения. Его теплопроводность хоть и ниже изначально, но стабильна на протяжении всего срока службы оборудования.
| Параметр теплопроводности | Девственный ПТФЭ | BN-Наполненный ПТФЭ (новый) | BN-Наполненный ПТФЭ (выдержка 5000 циклов) |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 0.25 | 0.60 | 0.35-0.45 |
| Сохранение теплопроводности после старения (%) | 100 | 100 (новый) | 60-75 |
| Механизм деградации | Н/Д (стабильный) | N/A | Разъединение матрицы наполнителя- |
| Влияние на значение U- теплообменника | Стабильный | Изначально выше; снижается | Снижение; может приближаться к чистому ПТФЭ |
Значение дизайна
Теплообменник, спроектированный с учетом начальной теплопроводности ПТФЭ, наполненного BN-, будет иметь заниженный размер, как только проводимость ухудшится. Теплопроизводительность со временем будет снижаться и в конечном итоге упадет ниже требований процесса. Необходимо заменить теплообменник или увеличить давление пара,-что ускорит дальнейшую деградацию.
В консервативной конструкции для наполненного ПТФЭ используется старое значение теплопроводности-, а не новое значение. Это устраняет снижение производительности, но также устраняет большую часть преимущества в размерах, которое в первую очередь оправдывало использование наполнителя. В конечном итоге конструкция приближается к размеру теплообменника из первичного ПТФЭ, но требует более высоких материальных затрат.
Натуральный ПТФЭ с его стабильной и предсказуемой теплопроводностью позволяет создавать простые конструкции без допусков на деградацию. Обменник работает стабильно от установки до вывода из эксплуатации.
Руководство по применению
ПТФЭ, наполненный BN-, подходит для применений, в которых теплообменник работает при постоянной температуре с минимальным циклическим циклированием и где можно использовать более высокую начальную проводимость без значительного ухудшения старения. Циклические приложения-периодический нагрев, частые запуски и остановки-ускоряют старение и снижают выгоду.
Для большинства применений в теплообменниках химических процессов, где характерно термоциклирование, более надежным выбором является чистый ПТФЭ. Стабильная производительность и более длительный срок службы перевешивают большую первоначальную занимаемую площадь.
Краткое содержание
Трубки теплообменника из ПТФЭ, заполненные BN-, теряют 25-40 % своей первоначальной теплопроводности после длительного термоциклирования из-за отслоения матрицы наполнителя из-за дифференциального теплового расширения. Первичный ПТФЭ сохраняет стабильную проводимость в течение неопределенного времени. Для циклической эксплуатации первичный ПТФЭ обеспечивает более предсказуемую долгосрочную-работу и его следует указывать, если только процесс не является установившимся и уменьшение размера наполненного материала не является существенным.
Техническая поддержка при выборе материала из наполненного или чистого ПТФЭ доступна после предоставления информации о рабочем температурном цикле, требуемом сроке службы и ограничении пространства.
