A súly kötelező eleme a repülésben
A repülőgépek és űrhajók vegyi feldolgozórendszerei-a korrózióvédelmet szolgáló felületkezelés, a motoralkatrészek tisztító oldatai, a hőszabályozó folyadékok-olyan megszorítást jelentenek, amely nem található a földi-vegyi üzemekben: a berendezés tömegének minden kilogrammja közvetlenül csökkenti a hasznos teherbírást. Egy kereskedelmi repülőgépen egy megtakarított kilogramm körülbelül 500 dollár üzemanyag-megtakarítást jelent a repülőgép élettartama során. Egy űrrepülőgépen a kilónkénti kilónkénti költség alacsony Föld körüli pályára 2500 és 5000 dollár között mozog.
A hőcserélők a repülőgép-kémiai feldolgozórendszerek nehezebb alkatrészei közé tartoznak. Tömegüket az anyagsűrűség, a hőfeladathoz szükséges felület és a szükséges szerkezeti alátámasztás határozza meg. A titán-palládiumötvözet (Ti-0,2Pd, 7. osztály) a szabványos fémes választás a korrózióálló repülőgép-hőcserélőkhöz. Egyesíti a titán korrózióállóságát a palládium fokozott passzivitásával.
A PTFE radikális súlycsökkentést kínál. Az anyagsűrűség 2200 kg/m³, szemben a 4510 kg/m³ titán-palládium-felével. A nehézfém gyűjtők és tartószerkezetek kiiktatásával kombinálva a PTFE hőcserélő beépített tömege általában a titán-palládium egyenérték 15-25%-a.
A súlybontás összehasonlítása
Egy 30 kW-os hőcserélő repülőgép-kémiai feldolgozáshoz illusztrálja a súly-összehasonlítást. A titán-palládium egység egy kompakt héj-és-cső, 1,0 m²-es hőátadó felülettel. A PTFE egységnek 3,5 m² felületre van szüksége, hogy ugyanazt a teljesítményt ekvivalens LMTD mellett teljesítse, az alacsonyabb hővezetőképesség miatt.
Annak ellenére, hogy 3,5-szer nagyobb felületet igényel, a PTFE egység súlya lényegesen kisebb. A PTFE csövek tömege 1,8 kg (3,5 m² × 0,8 mm fal × 2200 kg/m³). A PTFE fejlécek és a tartókeret 3,5 kg-ot tesznek ki. Teljes PTFE száraz tömeg: 5,3 kg.
A titán-palládium csövek tömege 4,5 kg (1,0 m² × 1,0 mm fal × 4510 kg/m³). A titán héj, a csőlemezek és a tartókeret 22 kg-ot adnak hozzá. Összes titán-palládium száraz tömeg: 26,5 kg.
| Súly paraméter | Titán{0}}palládium (7. fokozat) | PTFE |
|---|---|---|
| Felület 30 kW teljesítményre (m²) | 1.0 | 3.5 |
| Cső anyagsűrűsége (kg/m³) | 4,510 | 2,200 |
| A cső falvastagsága (mm) | 1.0 | 1.0 |
| Cső tömege (kg) | 4.5 | 1.8 |
| Fejlécek/héj tömege (kg) | 15 | 2.0 |
| Tartókeret tömege (kg) | 7 | 1.5 |
| Teljes száraz tömeg (kg) | 26.5 | 5.3 |
| Tömeg-/-terhelés arány (kg/kW) | 0.88 | 0.18 |
| Beépített tömeg (beleértve a csőcsatlakozásokat, kg) | 32 | 8 |
| A rakománybüntetés 3000 USD/kg indítási költség | $96,000 | $24,000 |
A szerkezeti és beépítési súly kaszkád
A PTFE súlyelőnye túlmutat magán a hőcserélőn. A szárazon 26,5 kg tömegű titán-palládium egységhez a statikus súlynak, valamint a vibrációból és a manőverezésből származó dinamikus terhelésnek megfelelő szerkezeti rögzítési pontokra van szükség. A repülőgép vagy űrhajó szerkezetét helyben meg kell erősíteni, hogy eltartsa ezt a koncentrált tömeget. A szerkezeti megerősítés növeli a tömeget, amely lépcsőzetesen áthalad a jármű kialakításán.
Az 5,3 kg-os PTFE egység magával a tartályszerkezettel vagy minimális konzollal megtámasztható. Az elosztott könnyű terhelés nem igényel helyi szerkezeti megerősítést. A beépítési tömeg-, amely magában foglalja a csőcsatlakozásokat, a szigetelést és a szerkezeti rögzítéseket-, körülbelül egy-negyede a titán-palládium beépítési tömegének.
A teljes hasznos teherbüntetés a PTFE-beépítésre körülbelül 24 000 USD kereskedelmi indítási költségek mellett, szemben a titán-palládium rendszer 96 000 USD-vel. A hőcserélőnkénti 72 000 dolláros hasznos teherbírás-megtakarítás jelentős tényező az űrhajózási rendszerek tervezésében.
A korróziós és karbantartási szinergia
A PTFE súlyelőnyét korrózióállósága egészíti ki. A titán-palládium, bár rendkívül ellenálló, nem immunis minden repülőgép- és űrkumikáliával szemben. Bizonyos fluortartalmú hidraulikafolyadékok, savas tisztítóoldatok és oldószerkeverékek megtámadhatják a passzív filmréteget. Minden hőcserélő cserét igénylő korróziós esemény nem csak a berendezés költségét, hanem a csere elindításával járó teherbírságot is magában foglalja.
A PTFE univerzális kémiai tehetetlensége kiküszöböli a korróziós{0}}cserét. A jármű üzembe helyezésekor beépített hőcserélő a jármű élettartama alatt üzemben marad. Megszűnik a teherbírság a járműben -tárolt vagy csereként forgalomba bocsátott tartalék hőcserélőkre-.
Összegzés
A PTFE hőcserélők tömeg-/-teljesítmény aránya hozzávetőlegesen 4,9-szer kedvezőbb, mint a titán-palládiumötvözet az űrrepülőgép-kémiai feldolgozásban-0,18 kg/kW szemben a 0,88 kg/kW beépített tömeggel. A tömegcsökkenést annak ellenére érik el, hogy a PTFE kisebb hővezető képessége nagyobb felületet igényel, mivel a fluorpolimer alacsony sűrűsége és a nehéz fémes szerkezetek kiküszöbölése ezt bőven kompenzálja. A megtakarított hasznos teherbírás{11}}hőcserélőnként megközelítőleg 72 000 USD kereskedelmi indítási költségek mellett – ez egy kényszerítő tényező a repülőgép-űrrendszerek tervezésében.
Mérnöki támogatás a könnyű PTFE-hőcserélők tervezéséhez repülőgép- és űrkutatási alkalmazásokban a hőteljesítmény, az üzemi hőmérséklet és nyomás, a folyamatfolyadék-kémia és a tömeg-költségvetési korlátok benyújtásával érhető el.
