Проблема температурного потолка
При химическом фрезеровании деталей аэрокосмической промышленности из алюминия и титана используются щелочные травители, содержащие гидроксид натрия, триэтаноламин и растворенные металлы. Ванны работают при температуре 80-110 градусов в зависимости от требований к сплаву и скорости травления. Теплообменник должен обеспечивать стабильную тепловую мощность в растворе, который химически воздействует на большинство материалов.
ПВДФ кажется подходящим при первой оценке. Устойчив к сильным щелочам при умеренных температурах. Его можно-перерабатывать в расплаве, что позволяет создавать сложные конструкции коллекторов. Он стоит дешевле, чем ПТФЭ. Многие химические предприятия успешно используют теплообменники из ПВДФ при температуре ванны ниже 80 градусов.
Ограничение возникает, когда температура ванны превышает 90 градусов. Механические свойства ПВДФ быстро ухудшаются при превышении этого порога. Полимер размягчается, расползается под нагрузкой и становится уязвимым к растрескиванию под воздействием окружающей среды в присутствии аминных соединений в триэтаноламине. ПТФЭ, обладающий способностью работать при более высоких температурах и превосходной химической стойкостью, остается полностью функциональным во всем рабочем диапазоне.
Ограничение температуры ПВДФ
ПВДФ имеет номинальную температуру непрерывной эксплуатации на воздухе 150 градусов. Этот рейтинг предполагает достаточный запас для химической ванны с температурой 110 градусов. Но рейтинг распространяется на ненагруженный материал в благоприятных условиях. Внутри теплообменника трубы из ПВДФ испытывают кольцевое напряжение из-за внутреннего давления пара, напряжение изгиба из-за собственного веса между опорами и химическое воздействие раствора щелочного триэтаноламина. Такая комбинация значительно снижает практический потолок эксплуатации.
При температуре 90-100 градусов модуль упругости ПВДФ падает примерно до 20 % от значения при комнатной температуре. Трубы провисают между опорами. Ползучесть под давлением пара ускоряется. Материал размягчается до такой степени, что зажимные соединения теряют сцепление, коллекторы деформируются, а трубы могут вырваться из фитингов.
При температуре 110 градусов, которая требуется во многих ваннах химического фрезерования для высокой скорости травления титановых сплавов, ПВДФ близок к своему практическому механическому пределу. Любое нарушение технологического процесса, вызывающее хотя бы кратковременное повышение температуры ванны-неисправность парового регулирующего клапана, отказ циркуляционного насоса-может привести к необратимой деформации или выходу компонентов из ПВДФ.
Таблица 1. Характеристики ПТФЭ и ПВДФ в ваннах химического измельчения на основе щелочного триэтаноламина
| Свойство производительности | ПВДФ | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывной работы (без нагрузки) | 150 градусов | 260 градусов |
| Практический предел эксплуатации в щелочной ванне | 90-100 градусов | 200 градусов + |
| Модуль упругости при 100 градусах (% от температуры окружающей среды) | ~20% | ~40% |
| Сопротивление ползучести при 100 градусах под нагрузкой | Бедный | Хороший |
| Растрескивание триэтаноламина под воздействием окружающей среды | Восприимчивы выше 80 градусов | Иммунитет |
| Щелочная химическая стойкость | Хорошо до pH 13 | Отлично подходит для pH 14 |
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 0.17-0.19 | 0.25 |
| Относительная стоимость (трубки) | 0.6-0.8× | 1.0× |
| Плавление-обрабатываемое (свариваемость) | Да | Нет |
Эффект триэтаноламина
Триэтаноламин — это органический амин, используемый в растворах для химического фрезерования для контроля скорости травления и качества поверхности. Он действует как комплексообразователь растворенного алюминия, предотвращая его повторное осаждение на поверхности детали. Он также действует как агент растрескивания под воздействием окружающей среды для ПВДФ.
Растрескивание под воздействием окружающей среды происходит, когда находящийся под напряжением полимер подвергается воздействию определенного химического агента, который ускоряет образование трещин. Химическое вещество не растворяет и не разъедает полимер в объеме.-ПВДФ, погруженный в ненапряженный раствор триэтаноламина, может не проявлять видимых изменений в течение многих лет. Но когда полимер находится под растягивающим напряжением из-за внутреннего давления или изгиба, а молекулы триэтаноламина проникают в поверхностные микропустоты, начинается и распространяется растрескивание.
При температуре ванны выше 80 градусов сочетание снижения прочности ПВДФ и повышенной химической активности триэтаноламина создает условия, при которых растрескивание под напряжением быстро прогрессирует. Трещины возникают в точках концентрации напряжений: опорных зажимах, изгибах труб и соединениях коллекторов. Возникнув, трещины распространяются по стенке трубы, что приводит к утечке пара или разрыву трубы.
ПТФЭ невосприимчив к растрескиванию под воздействием окружающей среды под действием триэтаноламина. Связь углерод-фтор слишком прочна, чтобы ее мог разорвать амин. Более высокое сопротивление ползучести полимера при температуре сохраняет структурную целостность под нагрузкой.
Учет теплопередачи
Теплопроводность ПВДФ, составляющая 0,17–0,19 Вт/м·К, немного ниже, чем у ПТФЭ (0,25 Вт/м·К). ПТФЭ передает тепло через стенку трубы примерно на 30–40 % эффективнее. При той же тепловой нагрузке и размерах труб катушка из ПТФЭ требует меньшей площади поверхности, чем эквивалент из ПВДФ.
Это скромное термическое преимущество в сочетании с более высоким пределом рабочей температуры ПТФЭ позволяет создавать более компактные конструкции теплообменников для ванн химического измельчения. Более высокое допустимое давление пара при более высокой температуре стенки трубы еще больше уменьшает требуемую площадь поверхности.
Краткое содержание
ПТФЭ превосходит ПВДФ в высокотемпературных ваннах-химического измельчения, содержащих каустик и триэтаноламин, поскольку ПТФЭ сохраняет механическую целостность и химическую стойкость при температуре ванны до 200 градусов, что значительно превышает практический предел ПВДФ, составляющий 90–100 градусов. Триэтаноламин ускоряет растрескивание ПВДФ под воздействием окружающей среды при повышенных температурах - механизм разрушения, к которому невосприимчив ПТФЭ.
Скромное первоначальное ценовое преимущество ПВДФ сводится на нет затратами на замену, когда блоки ПВДФ преждевременно выходят из строя при высоких рабочих температурах. ПТФЭ обеспечивает надежную долгосрочную-работу без ограничений по температуре и химическому воздействию, которые ограничивают использование ПВДФ в низкотемпературном химическом фрезеровании.
Технический анализ выбора теплообменника из ПТФЭ или ПВДФ для конкретных применений химического измельчения доступен после предоставления данных о химическом составе ванны, рабочей температуре, давлении пара и предыдущей истории эксплуатации теплообменника.
