Императив веса в аэрокосмической отрасли
Системы химической обработки самолетов и космических аппаратов-поверхностная обработка для защиты от коррозии, чистящие растворы для компонентов двигателей, жидкости для терморегулирования-налагают ограничения, которых нет на наземных-химических заводах: каждый килограмм массы оборудования напрямую снижает грузоподъемность. На коммерческом самолете сэкономленный килограмм означает экономию топлива примерно в 500 долларов за срок службы самолета. На космическом корабле стоимость запуска килограмма на низкую околоземную орбиту колеблется от 2500 до 5000 долларов.
Теплообменники являются одними из самых тяжелых компонентов в системах химической обработки аэрокосмической продукции. Их масса определяется плотностью материала, необходимой площадью поверхности для теплового режима и необходимой структурной опорой. Титан-палладиевый сплав (Ti-0,2Pd, класс 7) является стандартным металлическим выбором для коррозионностойких теплообменников в аэрокосмической отрасли. Он сочетает в себе коррозионную стойкость титана с повышенной пассивностью палладия.
ПТФЭ обеспечивает радикальное снижение веса. Плотность материала составляет 2200 кг/м³ против 4510 кг/м³ у титана-палладия-меньше половины. В сочетании с отсутствием тяжелых металлических коллекторов и опорных конструкций установленный вес теплообменника из ПТФЭ обычно составляет 15-25 % от титано-палладиевого эквивалента.
Сравнение весовой разбивки
Сравнение веса иллюстрирует теплообменник мощностью 30 кВт для аэрокосмической химической обработки. Титановый-палладиевый блок представляет собой компактную кожухо-и-трубчатую конструкцию с поверхностью теплопередачи 1,0 м². Для блока из ПТФЭ требуется 3,5 м² поверхности для выполнения той же нагрузки при эквивалентном LMTD из-за более низкой теплопроводности.
Несмотря на то, что требуется площадь поверхности в 3,5 раза больше, блок из ПТФЭ весит значительно меньше. Трубки из ПТФЭ весят 1,8 кг (3,5 м² × стенка 0,8 мм × 2200 кг/м³). Коллекторы из ПТФЭ и опорная рама добавляют 3,5 кг. Общий сухой вес ПТФЭ: 5,3 кг.
Титановые-палладиевые трубки весят 4,5 кг (1,0 м² × стенка 1,0 мм × 4510 кг/м³). Титановый корпус, трубные решетки и опорная рама добавляют 22 кг. Общий сухой вес титана-палладия: 26,5 кг.
| Весовой параметр | Титан-Палладий (7 класс) | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Площадь поверхности для режима 30 кВт (м²) | 1.0 | 3.5 |
| Плотность материала трубы (кг/м³) | 4,510 | 2,200 |
| Толщина стенки трубы (мм) | 1.0 | 1.0 |
| Масса трубки (кг) | 4.5 | 1.8 |
| Масса жатки/корпуса (кг) | 15 | 2.0 |
| Масса опорной рамы (кг) | 7 | 1.5 |
| Общий сухой вес (кг) | 26.5 | 5.3 |
| Соотношение массы-к-мощности (кг/кВт) | 0.88 | 0.18 |
| Установленная масса (включая трубопроводные соединения, кг) | 32 | 8 |
| Штраф за полезную нагрузку при стоимости запуска 3000 долларов США за кг. | $96,000 | $24,000 |
Конструктивно-установочный весовой каскад
Преимущество ПТФЭ в весе выходит за рамки самого теплообменника. Для титанового-палладиевого блока весом 26,5 кг в сухом виде требуются точки крепления конструкции, рассчитанные на статический вес и динамические нагрузки от вибрации и маневрирования. Конструкция самолета или космического корабля должна быть локально усилена, чтобы выдержать эту концентрированную массу. Структурное усиление добавляет массу, которая каскадом проникает в конструкцию автомобиля.
Блок из ПТФЭ массой 5,3 кг может поддерживаться самой конструкцией резервуара или минимальными кронштейнами. Распределенная легкая нагрузка не требует местного усиления конструкции. Вес установки,-который включает в себя трубопроводные соединения, изоляцию и крепежные детали-составляет примерно одну-четверть веса установки из титана-палладия.
Общий штраф за полезную нагрузку при установке из ПТФЭ составляет примерно 24 000 долларов США при затратах на коммерческий запуск по сравнению с 96 000 долларов США за систему из титана-палладия. Экономия полезной нагрузки на один теплообменник составляет 72 000 долларов США и является важным фактором при проектировании аэрокосмических систем.
Синергия коррозии и технического обслуживания
Преимущество ПТФЭ в весе дополняется его устойчивостью к коррозии. Титан-палладий, хотя и обладает высокой устойчивостью, не застрахован от всех аэрокосмических химикатов. Некоторые фторированные гидравлические жидкости, кислотные чистящие растворы и смешанные растворители могут повредить пассивную пленку. Каждое событие коррозии, требующее замены теплообменника, влечет за собой не только стоимость оборудования, но и штраф за полезную нагрузку, связанную с запуском замены.
Универсальная химическая инертность ПТФЭ исключает замену, вызванную коррозией-. Теплообменник, установленный при вводе автомобиля в эксплуатацию, остается в эксплуатации на протяжении всего срока службы автомобиля. Штраф за полезную нагрузку для запасных теплообменников,-хранящихся на транспортном средстве или запущенных в качестве замены-, устранен.
Краткое содержание
Теплообменники из ПТФЭ имеют соотношение-к-производительности примерно в 4,9 раза более выгодное, чем титановый-палладиевый сплав для аэрокосмической химической обработки-0,18 кг/кВт по сравнению с установленным весом 0,88 кг/кВт. Снижение веса достигается несмотря на то, что более низкая теплопроводность ПТФЭ требует большей площади поверхности, поскольку низкая плотность фторполимера и отсутствие тяжелых металлических структур более чем компенсируют это. Экономия полезной нагрузки-приблизительно 72 000 долларов США на теплообменник при затратах на коммерческий запуск – это убедительный фактор при проектировании аэрокосмических систем.
Инженерная поддержка для проектирования легких теплообменников из ПТФЭ в аэрокосмической отрасли доступна при условии предоставления теплового режима, рабочей температуры и давления, химического состава технологической жидкости и ограничений по массе.
