Un flux de processus chaud et corrosif est à 150 degrés. Le PTFE, le polymère fluoré classique pour les échangeurs de chaleur, est totalement inadapté à cette température ; il se ramollirait et échouerait. Le PFA, son proche parent chimique, est parfaitement confortable. Les deux matériaux sont de superbes isolants et leur capacité brute et intrinsèque à conduire la chaleur est presque identique. La victoire thermique d'un échangeur PFA à 150 degrés n'est pas due au fait qu'il s'agit d'un meilleur conducteur, mais simplement au fait qu'il reste un tube solide et résistant à cette température, permettant un échange de chaleur que le PTFE ne peut même pas tenter. Comprendre leCoefficient de transfert de chaleur PFA vs PTFE 150 degrésla comparaison nécessite de regarder au-delà de l’indice de conductivité thermique et de se concentrer sur la température de service maximale.

Conductivité thermique : un isolant presque identique

La conductivité thermique du PTFE (polytétrafluoroéthylène) et du PFA (perfluoroalcoxy alcane) est comprise entre 0,20 et 0,25 W/m·K aux températures de processus typiques. Ces valeurs sont presque impossibles à distinguer à des fins d'ingénierie. À même épaisseur de paroi (par exemple, 1 mm pour un tube de petit diamètre ou 2 mm pour un échangeur à calandre plus grand), la résistance thermique conductrice d'un tube fabriqué à partir de l'un ou l'autre matériau sera essentiellement la même. Par conséquent, le coefficient de transfert de chaleur global (valeur U) d'un échangeur PFA est similaire à celui d'un échangeur PTFE pour une conception équivalente-en supposant que les deux fonctionnent dans leurs limites de température respectives.

Le principal avantage majeur du PFA est sa température de service continu plus élevée de 260 degrés, par rapport à la limite pratique du PTFE pour le service de thermoplongeurs ou d'échangeurs de chaleur, qui est d'environ 110 à 120 degrés dans des environnements aqueux (et légèrement plus élevée dans certaines conditions sèches ou non oxydantes). Cela permet à un échangeur PFA de traiter des fluides à 150 degrés, en utilisant une différence de température moyenne logarithmique (LMTD) beaucoup plus grande pour le même service, ce qui se traduit par un échangeur de chaleur plus petit et plus rentable. La victoire ne réside pas dans le nombre de conductivité, mais dans la capacité du matériau à se présenter au combat.

PFA remporte la bataille thermique non pas en étant un coureur plus rapide, mais en étant autorisé à circuler sur la piste. À 150 degrés, le PTFE n'est pas un concurrent-il a déjà quitté le terrain.

Pourquoi le PTFE ne peut pas être utilisé à 150 degrés dans un service d'échangeur

Adoucissement mécanique et fluage

Le PTFE commence à ramollir et à perdre sa résistance mécanique au-dessus d'environ 110 à 120 degrés en service d'immersion continue. Alors que le PTFE a un point de fusion théorique de 327 degrés, il subit une transition de phase cristalline à environ 19 degrés et une autre à environ 30 degrés, et au-dessus de 100 degrés, les régions amorphes deviennent de plus en plus mobiles. Dans un échangeur de chaleur, où les tubes sont soumis à des contraintes de pression interne, de pression externe et de dilatation thermique, les tubes en PTFE à 150 degrés flueront, se déformeront et finiront par s'effondrer ou se rompre. Le matériau présente également un coefficient de dilatation thermique élevé (environ 10 fois celui de l'acier), entraînant un affaissement excessif des tubes et une fatigue mécanique à des températures élevées.

Expérience pratique

L'expérience sur le terrain et les directives du fabricant placent la limite de fonctionnement continu sûre pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE à 110 degrés pour la plupart des services aqueux corrosifs. Pour de courtes excursions jusqu'à 120 degrés, certaines conceptions peuvent être acceptables, mais 150 degrés sont fermement en dehors de l'enveloppe de sécurité. En revanche, le PFA conserve son intégrité mécanique et sa résistance chimique jusqu'à 260 degrés, sans transitions de phase provoquant une instabilité dimensionnelle.

Le coefficient de transfert de chaleur global (valeur U) à 150 degrés

Valeur U similaire à conception équivalente

Pour un scénario hypothétique dans lequel le PTFE pourrait survivre à 150 degrés, la valeur U d'un échangeur PFA et d'un échangeur PTFE avec une géométrie identique (diamètre du tube, épaisseur de paroi, disposition du tube et vitesses du fluide) serait presque la même. La résistance conductrice de la paroi du tube n’est qu’un composant de la résistance thermique globale. Les autres composants -convection côté tube, convection côté coque et résistances à l'encrassement- sont identiques pour les mêmes propriétés et vitesses de fluide. Étant donné que les conductivités thermiques du PTFE et du PFA sont pratiquement identiques, la valeur U diffère de moins de 5 %.

Avantage pratique : LMTD plus grand

Étant donné que le PTFE ne peut pas fonctionner à 150 degrés, la comparaison pratique ne se fait pas entre deux matériaux à la même température. Au lieu de cela, un échangeur PFA peut être utilisé pour refroidir un flux à 150 degrés avec, par exemple, de l'eau de refroidissement à 30 degrés, produisant un LMTD d'environ 80 à 100 degrés. Un échangeur en PTFE, limité à une température d'entrée du côté chaud de 110 degrés, aurait une LMTD de seulement 40 à 50 degrés pour la même eau de refroidissement. Pour transférer la même quantité de chaleur, l'échangeur PTFE nécessiterait environ deux fois la surface-s'il pouvait fonctionner. En réalité, l’option PTFE n’est tout simplement pas disponible pour une température aussi élevée.

Lignes directrices pratiques de sélection

Conclusion : la survie comme facteur décisif

La comparaison entre un échangeur PFA et PTFE à haute température est une simple question de survie et non de performance thermique brute. À 150 degrés, le PTFE se ramollit, glisse et échoue, tandis que le PFA reste solide, stable et chimiquement inerte. Les coefficients de transfert thermique globaux des deux matériaux sont presque identiques pour la même épaisseur de paroi, mais ce fait n'a pas d'importance car le PTFE ne peut pas être utilisé à cette température. Le PFA est le champion du thermique simplement parce qu'il peut supporter la chaleur. Le meilleur matériau est celui qui reste à la température du processus, et pour un flux corrosif de 150 degrés, le PFA est ce matériau.