Como o coeficiente geral de transferência de calor de um trocador de PFA se compara a um de PTFE a 150 graus?

Fluxo de processo quente e corrosivo a 150 graus. O PTFE é o fluoropolímero típico para trocadores de calor, mas é totalmente inadequado nesta temperatura, pois enfraqueceria e falharia. Seu primo químico PFA é perfeitamente agradável. Ambos os materiais são isolantes muito bons e sua capacidade bruta e fundamental de conduzir calor é quase semelhante. A vantagem térmica de um trocador PFA a 150 graus não se deve ao fato de ser um condutor superior, mas simplesmente porque nessa temperatura ele ainda é um tubo sólido e forte, capaz de realizar uma tarefa de troca de calor que o PTFE nem consegue imaginar. Para entender a comparação do coeficiente de transferência de calor PFA versus PTFE a 150 graus, é preciso olhar além do número de condutividade térmica e focar na temperatura máxima de serviço.

Condutividade térmica: um material isolante quase ideal
A condutividade térmica tanto do PTFE (politetrafluoroetileno) quanto do PFA (perfluoroalcóxi alcano) está na faixa de 0,20 a 0,25 W/m·K em temperaturas típicas de processamento. Para fins de engenharia estes números são praticamente indistinguíveis. A resistência térmica condutiva de um tubo composto de qualquer um dos materiais será praticamente a mesma para a mesma espessura (por exemplo, 1 mm para um tubo de pequeno diâmetro ou 2 mm para um trocador de casco e tubo maior). Portanto, o coeficiente global de transferência de calor (valor U-) de um trocador de PFA é semelhante ao de um trocador de PTFE do mesmo projeto, desde que ambos sejam usados ​​dentro de suas respectivas limitações de temperatura.

A principal vantagem do PFA é a temperatura de serviço contínuo mais alta de 260 graus em comparação com o limite prático do PTFE para serviço de aquecedor de imersão ou trocador de calor, que é de cerca de 110-120 graus em ambientes aquosos (e um pouco mais alto em algumas condições secas ou não oxidantes). Isso permite que um trocador PFA opere a 150 graus com uma diferença média logarítmica de temperatura (LMTD) muito maior para o mesmo trabalho, resultando em um trocador de calor menor e mais econômico. A vitória não está na quantidade de condutividade, mas na capacidade do material aparecer na luta.

A PFA vence a guerra térmica, não porque corre mais rápido, mas porque é permitida na pista. A 150 graus, o PTFE não é concorrente - ele já saiu do campo.

Por que o PTFE não é adequado para serviços de trocadores de calor a 150 graus
Amolecimento Mecânico e Fluência
No uso de imersão contínua, o PTFE começa a enfraquecer e a perder sua resistência mecânica em cerca de 110–120 graus. O PTFE tem um ponto de fusão teórico de 327 graus, mas sofre uma mudança de fase cristalina em torno de 19 graus e novamente em cerca de 30 graus, com as áreas amorfas começando a ganhar mobilidade em temperaturas superiores a 100 graus. Os tubos de PTFE a 150 graus irão rastejar, deformar e eventualmente entrar em colapso ou quebrar em trocadores de calor onde os tubos estão sujeitos a pressão interna, pressão externa e forças de expansão térmica. O material também possui um alto coeficiente de expansão térmica (cerca de 10 vezes o do aço), o que provoca queda excessiva dos tubos e fadiga mecânica em altas temperaturas.

Experiência prática-
Os tubos trocadores de calor de PTFE são geralmente especificados pelos fabricantes e pela experiência de campo para ter um limite operacional contínuo seguro de 110 graus para a maioria dos serviços aquosos corrosivos. Alguns projetos podem ser adequados para viagens curtas de até 120 graus, mas 150 graus está bem acima da faixa segura. Por outro lado, o PFA mantém sua integridade mecânica e resistência química até 260 graus, sem as mudanças de fase que causam instabilidade dimensional.

Coeficiente geral de transferência de calor (valor U{0}}) a 150 graus
Projeto equivalente Valor U{0}} semelhante
Em um caso imaginário onde o PTFE pudesse ser estável a 150 graus, o valor U-de um trocador PFA e um trocador PTFE com os mesmos parâmetros geométricos (diâmetro do tubo, espessura da parede, layout do tubo e velocidades do fluido) seria bastante semelhante. A resistência elétrica da parede do tubo é apenas parte da resistência térmica total. Outras resistências (convecção e incrustação no lado-do tubo e no lado-do casco) são as mesmas para as mesmas características e velocidades do fluido. As condutividades térmicas do PTFE e do PFA são quase comparáveis, portanto o valor U-tem uma diferença não superior a 5%.

Vantagem prática: LMTD mais alto
Uma comparação prática não é dois materiais à mesma temperatura porque o PTFE não pode ser operado a 150 graus. Em vez disso, um trocador de PFA pode ser usado para resfriar uma corrente de 150 graus com, por exemplo, água de resfriamento de 30 graus, o que dá um LMTD de cerca de 80-100 graus. Para a mesma água de resfriamento, um trocador de PTFE, limitado a uma temperatura de entrada no lado quente de 110 oC, teria um LMTD de apenas 40-50 oC. O trocador de PTFE precisaria de quase o dobro da área de superfície para realizar o mesmo trabalho de transmissão de calor – se é que poderia funcionar. Mas, na verdade, a opção PTFE não existe para temperaturas tão altas.

Dicas práticas para escolher
Parâmetro Trocador PTFE Trocador PFA
Máx. temperatura de serviço contínua (aquosa) 110-120 graus 260 graus
Condutividade térmica a 150 graus Não aplicável (falha do material) ~0,22 W/mK Valor U-(em geometria idêntica e mesmas temperaturas de fluido dentro da faixa de PTFE) Linha de base Comparável (±5%)
Valor U (lado quente 150 graus) Projeto e LMTD Não viável
Custo relativo (por unidade de área) Menor Superior (15-30 premium)
Adequação para serviços corrosivos em alta temperaturaSim Não
Conclusão: é uma questão de sobrevivência
A vantagem de um PFA sobre um trocador de PTFE em altas temperaturas não é o desempenho térmico bruto, mas uma questão de sobrevivência. O PTFE amolece, rasteja e falha a 150 graus, enquanto o PFA é resistente, estável e quimicamente inerte. Os coeficientes totais de transferência de calor dos dois materiais são virtualmente os mesmos na mesma espessura de parede, mas isso não importa porque o PTFE não pode ser utilizado nessa temperatura. PFA é o campeão térmico, aguenta o calor. O material ideal é aquele que ainda está na temperatura do processo e para um fluxo corrosivo de 150 graus o PFA é esse material.