Kaip grafito šilumos laidumo pranašumas virsta mažesniais, lengvesniais šilumokaičiais?

Grafitas praleidžia šilumą daugiau nei 300 kartų lengviau nei PTFE. Šis vienas medžiagos požymis turi didelių pasekmių šilumokaičio dydžiui, svoriui ir kainai. Grafitas efektyviai praleidžia šilumą per sandarią šerdį, o PTFE reikia didelio paviršiaus ploto, kad būtų neutralizuotas jo izoliacijos elgesys. Dėl to žymiai sumažėja įrangos plotas ir struktūriniai poreikiai, o tai turi tiesioginės įtakos bendroms įrengimo sąnaudoms ir įrenginių išdėstymo lankstumui.

Laidumo tarpas: PTFE ir grafitas
Grafito šilumos laidumas paprastai yra 80–120 W/m·K, o tai panašus į kai kurių metalų, pvz., anglinio plieno arba mažai legiruoto plieno, šilumos laidumą. Kita vertus, PTFE šilumos laidumas yra apie 0,25 W/m K, tai yra maždaug toks pat kaip plastikinių izoliacinių medžiagų. Tai reiškia, kad tam tikro storio ir temperatūros gradiento grafito sienelė praleidžia šilumą daugiau nei 300 kartų geriau nei PTFE.

PTFE šilumokaičio šiluminę varžą paprastai lemia mažas PTFE laidumas. Šiluma turi eiti per vamzdžio sienelę, kuri, nors ir plona (dažnai 1-2 mm), vis dėlto yra didelė kliūtis. Norint gauti reikiamą bendrą šilumos perdavimą, reikalingas didelis paviršiaus plotas. Šis paviršiaus plotas pasiekiamas keliais ilgais ir mažo skersmens vamzdeliais. Dėl to susidaro didelių gabaritų vamzdžių ryšuliai ir didžiuliai apvalkalai.

Tačiau grafito šilumokaityje šilumos srauto neriboja pati medžiaga. Dominuojantys pasipriešinimai yra skysčio ribiniai sluoksniai abiejose pusėse. Taigi esant tokiems pat skysčių greičiams ir užsiteršimo aplinkybėms, grafito šilumokaičio bendras šilumos perdavimo koeficientas (U-vertė) gali būti žymiai didesnis nei PTFE įrenginio.

Dydžio sumažinimo kiekybinis įvertinimas
Efektyvus bendras šilumos perdavimo koeficientas (U{0}}vertė) yra medžiagos laidumo, sienelės storio ir dangos skysčiui bendro poveikio matas. Įprastam skysčių{2}}darbui su vidutiniu užsiteršimu:

Grafitinis blokas arba apvalkalas{0}}ir vamzdis

PTFE vamzdiniai šilumokaičiai: U{0}}vertės paprastai yra nuo 200 iki 400 W/m2.K.

Vidutinio-diapazono palyginimas galėtų būti toks, kad grafito šilumokaičio U- vertė gali būti tris kartus didesnė nei PTFE įrenginio toje pačioje tarnyboje. Grafito konstrukcijai reikia tik maždaug trečdalio šilumos perdavimo ploto dėl atvirkštinio proporcingumo tarp U ir reikalingo šilumos perdavimo ploto. Tačiau laidumo įtaka yra dar akivaizdesnė esant didesniems proceso -šalinės plėvelės koeficientams (pvz., kondensuojasi garai arba didelio greičio skysčiai), kai dominuoja PTFE vamzdžio sienelės atsparumas. Tokiais atvejais grafito ploto pranašumas gali būti nuo penkių iki dešimties.

Šis laidumo neatitikimas lemia drastišką rezultatą. Kokybinis pavyzdys pateikia eilę. Norint atvėsinti 100 kW karštos druskos rūgšties nuo 80 laipsnių iki 40 laipsnių aušinimo vandeniu, gali prireikti naudoti PTFE apvalkalą{5}}ir mažo automobilio dydžio vamzdinį keitiklį (pvz., 2–3 m ilgio, 0,6 m skersmens, su šimtais vamzdžių). Tą patį darbą, kurį atliktų grafito blokelių šilumokaitis, būtų galima atlikti su didelio lagamino dydžio įrenginiu (pvz., 0,5 × 0,5 × 0,6 m). Garsumo skirtumas gali būti 5:1 arba didesnis.

Svoris ir konstrukcijos pasekmės
Kuo mažesnis fizinis dydis, tuo mažiau jis svers. Kompaktiškas grafito šilumos laidumo šilumokaitis paprastai yra 50–70% lengvesnis nei PTFE, atliekantis tą pačią šiluminę funkciją. Vidinė grafito šerdis užima mažiau vietos, todėl reikia mažiau apvalkalo medžiagos (daugiausia anglinio plieno arba nerūdijančio plieno). Lengvesnė įranga reikalauja mažiau tvirtų konstrukcinių atramų, taupo siuntimo išlaidas ir palengvina montavimą, ypač didelėse arba perpildytose vietose.

Atliekant modernizavimą, kai esami pamatai arba prieigos keliai riboja laisvą grindų plotą, grafito šilumokaičių kompaktiškumas paprastai lemia, ar galima net įrengti korozijai atsparų sprendimą. PTFE šilumokaičiams reikia didelių plotų ir didelių tarpų, kad būtų pašalintas vamzdžių pluoštas, ir jie gali tiesiog netilpti į vietą su esamu vamzdžiu ir įranga.

Taikymo pavyzdžiai, kai svarbus kompaktiškumas
Farmacijos ir smulkiosios chemijos pramonė dirba brangiai kainuojančiomis švariomis patalpomis arba patikrintomis sąlygomis. Kiekvienas kvadratinis metras grindų ploto yra brangus pastatyti ir eksploatuoti. Grafitiniai šilumokaičiai leidžia procesų inžinieriams pritaikyti didelio našumo aušinimo ar šildymo įrenginius į siaurus proceso slydimus, paliekant vietos kitai įrangai. Mažas dydis taip pat gali sumažinti reikiamą šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo (ŠVOK) sistemų įvertinimą švariai aplinkai.

Ribotas priėjimas prie cisternų ir konvejerių sistemų yra įprastas ėsdinimo ir paviršiaus apdailos operacijose. Grafitinius blokelius galima tvirtinti tiesiai prie rezervuaro sienelių arba paslėpti po platformomis. PTFE paketas turėtų turėti atskirą-atskirą apvalkalą su daug vamzdžio-traukimo vietos.

Puslaidininkių ir ypač grynų cheminių medžiagų gamybai reikalingas mažas negyvas tūris ir greita temperatūros reakcija. Kompaktiška grafito konstrukcija sumažina sulaikymo tūrį ir pagerina proceso kontrolę bei sumažina gaminio nuostolius keičiant rūšį.

Kada paaukoti kompaktiškumą dėl kitų priežasčių
Tačiau už mažą grafito keitiklių dizainą reikia mokėti. Kaip aprašyta kituose puslapiuose, grafitas yra trapus ir neatlaiko mechaninių smūgių ar vibracijos. PTFE, nors ir didesnio dydžio, užtikrina atsparumą vandens smūgiui ir nesuderinamumui. PTFE, nors ir didesnis, vis tiek gali būti tinkamas tais atvejais, kai erdvė nėra problema ir svarbus mechaninis patikimumas.

Tačiau bet kokiam naujam įrenginiui ar priestatui, kuriam būdingas brangus nekilnojamasis turtas arba sandariai supakuoti technologiniai slydimai, didelio grafito šilumos laidumo kompaktiškas šilumokaičio dizainas dažnai yra ekonomiškiausia alternatyva. Mažesnis įrenginys taip pat sumažina brangių lydinio korpusų, purkštukų jungiamųjų detalių ir izoliacijos tūrį.

Išvada:
Didelis grafito pranašumas yra tas, kad jis gali užtikrinti aukštą šilumos perdavimo greitį mažoje pakuotėje-, ko PTFE tiesiog negali padaryti iš esmės. Dėl 300 kartų didesnio nei PTFE šilumos laidumo bendrieji šilumos perdavimo koeficientai yra nuo trijų iki dešimties kartų didesni, o daug mažesnis ir lengvesnis šilumokaitis gali atlikti tam tikrą užduotį. Grafitas yra patrauklus tokioms reikmėms kaip farmacija, smulkiosios cheminės medžiagos ir paviršiaus apdaila, kur grindų plotas, konstrukcinė apkrova ir įrengimo išlaidos yra labai svarbūs. Medžiagos parinkimas turi apimti ne tik cheminį suderinamumą, bet ir visas įrengimo išlaidas, atsižvelgiant į erdvę ir konstrukcinius aspektus. Grafito kompaktiškumas yra ne tik patobulinimas, kai esamą įrenginį riboja didelio PTFE šilumokaičio dydis, tai gali būti veiksnys, leidžiantis korozijai{6}}atsparų šilumos perdavimą.