A mennyezeti hőmérséklet probléma
Az alumínium és titán repülőgép-alkatrészek vegyi őrléséhez nátrium-hidroxidot, trietanol-amint és oldott fémeket tartalmazó lúgos maratószereket használnak. A fürdők 80-110 fokban működnek az ötvözet és a maratási sebességtől függően. A hőcserélőnek állandó hőteljesítményt kell biztosítania olyan megoldásban, amely kémiailag megtámadja a legtöbb anyagot.
A PVDF első értékeléskor megfelelőnek tűnik. Mérsékelt hőmérsékleten ellenáll az erős lúgoknak. Az olvadékban-feldolgozható, lehetővé téve az összetett elosztó-kialakítást. Kevesebb, mint a PTFE. Sok vegyipari malomműhely sikeresen használt PVDF hőcserélőt 80 fok alatti fürdőhőmérsékleten.
A korlátozás akkor lép fel, ha a fürdő hőmérséklete meghaladja a 90 fokot. A PVDF mechanikai tulajdonságai e küszöb felett gyorsan romlanak. A polimer meglágyul, terhelés hatására kúszik, és sebezhetővé válik a környezeti feszültségrepedésekkel szemben a trietanol-amin aminvegyületeinek jelenlétében. A PTFE magasabb hőmérsékleti képességével és kiváló vegyszerállóságával teljesen működőképes marad a teljes működési tartományban.
A PVDF hőmérséklet-korlátozás
A PVDF folyamatos üzemi hőmérséklete 150 fok levegőben. Ez az értékelés bőséges mozgásteret sugall egy 110 fokos vegyi fürdő számára. De a minősítés a feszültségmentes anyagokra vonatkozik jóindulatú környezetben. A hőcserélő belsejében a PVDF csövek a belső gőznyomásból adódó karikafeszültséget, a támasztékok közötti önsúlyból származó hajlítási feszültséget és a lúgos trietanol-amin oldat vegyi hatását tapasztalják. A kombináció jelentősen csökkenti a praktikus működési mennyezetet.
90{2}}100 foknál a PVDF rugalmassági modulusa a szobahőmérséklet értékének körülbelül 20%-ára csökken. A csövek megereszkednek a támaszok között. A gőznyomás alatti kúszás felgyorsul. Az anyag annyira meglágyul, hogy a szorítócsatlakozások elveszítik a tapadást, az elosztók eltorzulnak, és a csövek kiszabadulhatnak a szerelvényekből.
A 110 fokos hőmérsékleten, amelyre sok vegyi őrlőfürdőnek szüksége van a titánötvözetek gyors marási sebességéhez, a PVDF a gyakorlati mechanikai határ közelében van. Bármilyen folyamatzavar, amely akár rövid időre is megemeli a fürdő hőmérsékletét, -a gőzszabályozó szelep meghibásodása, a keringető szivattyú meghibásodása- visszafordíthatatlan deformációt vagy meghibásodást okozhat a PVDF alkatrészekben.
1. táblázat: PTFE vs. PVDF teljesítmény lúgos trietanol-amin vegyi őrlőfürdőben
| Teljesítménytulajdonság | PVDF | PTFE |
|---|---|---|
| Max folyamatos üzemi hőmérséklet (feszültségmentes) | 150 fok | 260 fok |
| Gyakorlati működési határ marófürdőben | 90-100 fok | 200 fok + |
| Rugalmassági modulus 100 fokon (a környezeti érték %-a) | ~20% | ~40% |
| Kúszásállóság 100 fokban feszültség alatt | Szegény | Jó |
| Környezeti feszültségrepedés trietanol-aminban | 80 fok felett érzékeny | Immun |
| Lúgos vegyszerállóság | Jó pH 13-ig | Kiváló pH 14-ig |
| Hővezetőképesség (W/m·K) | 0.17-0.19 | 0.25 |
| Relatív költség (csövek) | 0.6-0.8× | 1.0× |
| Olvadék-feldolgozható (hegeszthetőség) | Igen | Nem |
A trietanolamin hatás
A trietanol-amin egy szerves amin, amelyet kémiai őrlési oldatokban használnak a maratási sebesség és a felületi minőség szabályozására. Az oldott alumínium komplexképzőjeként működik, megakadályozva a kicsapódást a munkadarab felületén. A PVDF környezeti feszültségrepesztő szereként is működik.
Környezeti feszültségrepedés akkor következik be, amikor egy feszültség alatt álló polimert egy speciális vegyi anyag hatásának tesznek ki, amely felgyorsítja a repedés kialakulását. A vegyszer nem oldja fel és nem korrodálja a polimert ömlesztett-A feszültségmentes trietanol-amin oldatba merített PVDF évekig nem mutat látható változást. De amikor a polimer belső nyomás vagy hajlítás miatti húzófeszültségnek van kitéve, és a trietanol-amin molekulák behatolnak a felületi mikro{3}}üregekbe, repedés indul meg és továbbterjed.
80 fok feletti fürdőhőmérsékleten a csökkent PVDF szilárdság és a megnövekedett trietanol-amin kémiai aktivitás kombinációja olyan feltételeket teremt, ahol a feszültségrepedés gyorsan fejlődik. A feszültségkoncentrációs pontokon repedések keletkeznek: tartóbilincsek, csőhajlítások és fejcsatlakozások. A keletkezést követően a repedések átterjednek a cső falán, ami gőzszivárgáshoz vagy csőtöréshez vezet.
A PTFE immunis a trietanol-amin okozta környezeti feszültségrepedésre. A szén-fluorkötés túl erős ahhoz, hogy az amin megszakítsa. A polimer magasabb kúszási ellenállása hőmérsékleten megőrzi szerkezeti integritását feszültség alatt.
A hőátadás megfontolása
A PVDF 0,17-0,19 W/m·K közötti hővezető képessége valamivel alacsonyabb, mint a PTFE 0,25 W/m·K. A PTFE körülbelül 30-40%-kal hatékonyabban viszi át a hőt a csőfalon keresztül. Ugyanolyan hőteljesítmény és csőméretek esetén a PTFE tekercs kisebb felületet igényel, mint egy PVDF-nek megfelelő.
Ez a szerény termikus előny a PTFE magasabb üzemi hőmérsékleti határával kombinálva kompaktabb hőcserélők kialakítását teszi lehetővé vegyi őrlőfürdőkhöz. A magasabb megengedett gőznyomás magasabb csőfal-hőmérséklet mellett tovább csökkenti a szükséges felületet.
Összegzés
A PTFE felülmúlja a PVDF-et a lúgot és trietanol-amint tartalmazó magas hőmérsékletű-vegyi őrlőfürdőkben, mivel a PTFE megőrzi mechanikai integritását és kémiai ellenállását 200 fokos fürdőhőmérsékletig, ami jóval meghaladja a PVDF gyakorlati 90-100 fokos határát. A trietanol-amin felgyorsítja a környezeti feszültségrepedést a feszített PVDF-ben magasabb hőmérsékleten, ami egy olyan meghibásodási mechanizmus, amelyre a PTFE immunis.
A PVDF szerény kezdeti költségelőnyét eltörlik a csereköltségek, amikor a PVDF egységek idő előtt meghibásodnak magas üzemi hőmérsékleten. A PTFE megbízható, hosszú távú szolgáltatást nyújt a hőmérsékleti és vegyi expozíciós korlátozások nélkül, amelyek korlátozzák a PVDF-et az alacsonyabb hőmérsékletű vegyi marási alkalmazásokra.
A PTFE vs. PVDF hőcserélők kiválasztására vonatkozó mérnöki elemzés specifikus kémiai marási alkalmazásokhoz a fürdő kémiájának, az üzemi hőmérsékletnek, a gőznyomásnak és a hőcserélő korábbi szervizelőzményeinek benyújtásával érhető el.
