Como a vantagem da condutividade térmica do grafite se traduz em trocadores menores e mais leves?

A grafite conduz o calor 300 vezes mais facilmente que o PTFE. Este atributo material tem ramificações de longo alcance em termos de tamanho, peso e custo de um trocador de calor. O grafite é uma transmissão de calor eficaz através do núcleo compacto e o PTFE precisa de uma grande área de superfície para neutralizar seu comportamento semelhante ao de isolamento. Isto leva a uma redução considerável na área ocupada pelos equipamentos e nas demandas estruturais, o que tem um impacto direto no custo total instalado e na flexibilidade do layout da planta.

A lacuna de condutividade: PTFE versus grafite
A grafite geralmente tem uma condutividade térmica de 80 a 120 W/m·K, que é semelhante à condutividade térmica de alguns metais, como aço carbono ou aços de baixa{2}}liga. O PTFE, por outro lado, tem uma condutividade térmica de cerca de 0,25 W/m·K, que é quase a mesma dos materiais isolantes plásticos. Isto significa que uma parede de grafite com uma espessura e gradiente de temperatura específicos conduz o calor mais de 300 vezes melhor que o PTFE.

A resistência térmica do trocador de calor de PTFE é geralmente governada pela baixa condutividade do PTFE. O calor tem que passar através da parede do tubo, que, embora fina (frequentemente 1-2 mm), representa um grande obstáculo. Uma grande área de superfície é necessária para obter a transferência total de calor necessária. Esta área de superfície é obtida por vários tubos longos e de pequeno diâmetro. Isso resulta em feixes de tubos volumosos e conchas enormes.

Mas num permutador de grafite, o fluxo de calor não é limitado pelo próprio material. As resistências dominantes são as camadas limite do fluido em ambos os lados. Portanto, para as mesmas velocidades de fluido e circunstâncias de incrustação, um trocador de grafite pode ter um coeficiente total de transferência de calor (valor U-) substancialmente maior do que uma unidade de PTFE.

Quantificação da redução de tamanho
O coeficiente efetivo de transferência de calor total (valor U-) é uma medida dos efeitos combinados da condutividade do material, espessura da parede e revestimento no fluido. Para um trabalho típico de líquido-líquido com incrustações moderadas:

Trocador de calor de bloco ou{0}}e{1}}tubo de grafite: os valores U-geralmente estão na faixa de 600 a 1.200 W/m2K.

Trocadores de tubos de PTFE: valores U{0}}geralmente entre 200 e 400 W/m2.K.

Uma comparação-média seria que um trocador de grafite pode ter um valor U-três vezes maior que uma unidade de PTFE no mesmo serviço. O projeto de grafite precisa de apenas cerca de um{3}}terço da área de transferência de calor devido à proporcionalidade inversa entre U e a área de transferência de calor necessária. No entanto, o impacto na condutividade é ainda mais óbvio no caso de maiores coeficientes de filme-do lado do processo (por exemplo, condensação de vapores ou líquidos de alta-velocidade), onde a resistência-da parede do tubo de PTFE se torna dominante. Nesses casos, a vantagem de área do grafite pode ser de cinco a dez.

Essa incompatibilidade na condutividade leva a um resultado drástico. Um exemplo qualitativo fornece uma ordem de grandeza. Resfriar 100 kW de ácido clorídrico quente de 80 a 40 graus com água de resfriamento pode envolver o uso de um trocador de casco-e-tubo de PTFE do tamanho de um automóvel pequeno (por exemplo, 2-3 m de comprimento, 0,6 m de diâmetro, com centenas de tubos). O mesmo trabalho que um trocador de blocos de grafite realizaria poderia ser realizado com uma unidade do tamanho de uma mala grande (por exemplo, 0,5 × 0,5 × 0,6 m). A diferença de volume pode ser de 5:1 ou superior.

Peso e consequências estruturais
Quanto menor for o tamanho físico, menos pesará. Um trocador de calor compacto com condutividade térmica de grafite é normalmente 50-70% mais leve que um trocador de PTFE que executa a mesma função térmica. O núcleo interno de grafite ocupa menos espaço, o que significa que é necessário menos material de revestimento (principalmente aço carbono ou aço inoxidável). Equipamentos mais leves requerem menos suportes estruturais substanciais, economizam custos de transporte e facilitam a instalação, especialmente em locais altos ou congestionados.

Em aplicações de modernização, onde as fundações ou vias de acesso existentes limitam o espaço disponível, a compactação dos trocadores de grafite normalmente determina se uma solução resistente à corrosão pode ser instalada. Os trocadores de PTFE exigem grandes dimensões e folgas consideráveis ​​para remover o feixe de tubos e podem simplesmente não caber em um local com tubos e equipamentos existentes.

Exemplos de aplicações onde a compactação é importante
As indústrias farmacêutica e de química fina trabalham em salas limpas dispendiosas ou em condições verificadas. Cada metro quadrado de área útil é caro para construir e operar. Os trocadores de grafite permitem que os engenheiros de processo instalem resfriamento ou aquecimento de alto-desempenho em plataformas de processo estreitas, deixando espaço para outros equipamentos. O tamanho minúsculo também pode minimizar a classificação necessária dos sistemas de aquecimento, ventilação e{4}}ar condicionado (HVAC) para ambientes limpos.

O acesso limitado ao redor de tanques e sistemas de transporte é comum em operações de decapagem e acabamento superficial. Os trocadores de blocos de grafite podem ser fixados diretamente nas paredes do tanque ou escondidos sob plataformas. Um pacote de PTFE precisaria ter um invólucro independente-separado com bastante espaço-de extração de tubo.

Baixo volume morto e resposta rápida à temperatura são necessários para a fabricação de semicondutores e produtos químicos ultrapuros. O design compacto do grafite minimiza o volume de retenção e melhora o controle do processo e diminui a perda de produto durante a mudança de classe.

Quando sacrificar a compacidade por outras considerações
Mas há um preço a pagar pelo design pequeno dos trocadores de grafite. Conforme descrito em outras páginas, o grafite é frágil e não resiste a choques mecânicos ou vibrações. O PTFE, embora maior em tamanho, oferece resiliência contra golpe de aríete e desalinhamento. O PTFE, embora maior, ainda pode ser a opção para aplicações onde o espaço não é um problema e a confiabilidade mecânica é importante.

No entanto, para qualquer nova instalação ou extensão caracterizada por imóveis caros ou plataformas de processo compactas, o projeto do trocador de calor compacto de alta condutividade térmica de grafite costuma ser a alternativa mais econômica. A unidade menor também reduz o volume de carcaças de ligas caras, acessórios de bico e isolamento.

Conclusão:
O grande ponto de venda do grafite é que ele pode fornecer altas taxas de transferência de calor em um pacote pequeno,- algo que o PTFE simplesmente não consegue fazer em um nível fundamental. A condutividade térmica 300 vezes maior que a do PTFE resulta em coeficientes gerais de transferência de calor três a dez vezes maiores, e um trocador muito menor e mais leve pode realizar uma determinada tarefa. A grafite é atraente para aplicações como farmacêutica, química fina e acabamento de superfícies, onde o espaço físico, a carga estrutural e os custos de instalação são cruciais. A seleção do material deve incluir não apenas a compatibilidade química, mas também o custo total de instalação, considerando espaço e considerações estruturais. A compacidade do grafite não é apenas uma melhoria quando uma instalação existente é limitada pelo tamanho de um grande trocador de PTFE; ela pode ser o fator que possibilita a transferência de calor-resistente à corrosão.