Los dos materiales que parecen similares a baja temperatura
Tanto el FEP como el PTFE son polímeros perfluorados y ambos resisten los fluidos refrigerantes comunes utilizados en el procesamiento químico: agua enfriada, soluciones de glicol, salmuera y refrigerante. A temperaturas entre 0 grados y 50 grados, la resistencia química y las propiedades mecánicas de los dos materiales son similares, y la selección a menudo se hace en función del costo.
FEP es un copolímero de tetrafluoroetileno y hexafluoropropileno. El comonómero de hexafluoropropileno altera la cristalinidad del polímero y reduce la viscosidad en estado fundido, lo que permite procesar el FEP mediante extrusión en estado fundido. FEP tiene una temperatura máxima de servicio continuo de 200 grados, en comparación con los 260 grados del PTFE.
El PTFE es un homopolímero de tetrafluoroetileno. La estructura lineal produce una mayor cristalinidad, lo que le da al PTFE una mayor resistencia a la tracción, una mejor resistencia a la fluencia y una temperatura de servicio continuo más alta. El PTFE no se puede procesar-fundido, por lo que se fabrica mediante moldeo por compresión y sinterización.
La comparación de conductividad térmica
FEP y PTFE tienen conductividades térmicas similares. El PTFE tiene una conductividad de 0,25 W/m·K y el FEP tiene una conductividad de 0,24 W/m·K. La diferencia es insignificante y no afecta la superficie requerida para una carga de calor determinada.
El coeficiente general de transferencia de calor para ambos materiales está dominado por las resistencias de la película del fluido, no por la resistencia de la pared. En el servicio de refrigeración de líquido-a-líquido, el coeficiente general de un intercambiador de calor de PTFE suele ser de 200 a 300 W/m²·K, y el coeficiente de un intercambiador de calor de FEP es esencialmente el mismo. La selección entre los dos materiales no puede realizarse en función del rendimiento térmico.
La diferencia en la resistencia a la fatiga por flexión
La resistencia a la fatiga por flexión es la capacidad de un material para resistir flexiones y flexiones repetidas sin agrietarse. El FEP tiene una menor resistencia a la fatiga por flexión que el PTFE debido a su menor cristalinidad y su estructura molecular más flexible.
En el servicio de enfriamiento químico a baja-temperatura, la fatiga por flexión puede ocurrir en intercambiadores de calor que están sujetos a vibración, ciclos térmicos o movimiento mecánico. Los tubos se flexionan a medida que el intercambiador de calor se expande y contrae, y la flexión repetida puede provocar grietas en la pared del tubo.
El PTFE tiene una mayor resistencia a la fatiga por flexión que el FEP, lo que lo hace adecuado para servicios en los que los tubos están sujetos a flexiones repetidas. FEP es adecuado para servicios donde los tubos están soportados rígidamente y no están sujetos a movimientos significativos.
La diferencia en la resistencia a la permeación
La permeación es la difusión de un gas o líquido a través de un polímero. El FEP tiene tasas de permeación más altas que el PTFE debido a su menor cristalinidad y su estructura molecular más abierta.
En el servicio de enfriamiento químico a baja-temperatura, la permeación puede ser un problema si el fluido de enfriamiento contiene gases disueltos o si el fluido del proceso es sensible a la contaminación. La permeación de oxígeno o dióxido de carbono a través de la pared del tubo puede afectar la química del proceso, y la permeación del fluido de proceso a través de la pared del tubo puede contaminar el fluido refrigerante.
El PTFE tiene tasas de permeación más bajas que el FEP, lo que lo hace adecuado para servicios donde la permeación es un problema. FEP es adecuado para servicios donde la permeación no es un factor crítico.
La diferencia de capacidad de temperatura
FEP tiene una temperatura máxima de servicio continuo de 200 grados, mientras que PTFE tiene una temperatura máxima de servicio continuo de 260 grados. A baja temperatura, ambos materiales están dentro de su rango de servicio y la diferencia de capacidad de temperatura no afecta la selección.
La diferencia de capacidad de temperatura se vuelve importante si las condiciones del proceso cambian. Si el servicio de refrigeración se convierte posteriormente en un servicio de calefacción o si se aumenta la temperatura de funcionamiento, es posible que la unidad de FEP no sea adecuada y se requiera la unidad de PTFE.
Comparación de los dos materiales en enfriamiento químico a baja-temperatura
La siguiente tabla resume las características de rendimiento y costo de los intercambiadores de calor de PTFE y FEP en un servicio de enfriamiento químico a baja-temperatura a 10 grados con una solución de glicol al 30 %.
| Característica | Intercambiador de calor de PTFE | Intercambiador de calor FEP | Ventaja |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Igual |
| Coeficiente general de transferencia de calor | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Igual |
| Temperatura máxima de servicio continuo | 260 grados | 200 grados | PTFE |
| Resistencia a la fatiga por flexión | Alto | Moderado | PTFE |
| Resistencia a la permeación | Alto | Moderado | PTFE |
| Resistencia química a la solución de glicol. | Excelente | Excelente | Igual |
| Resistencia mecánica | Alto | Moderado | PTFE |
| Resistencia al choque térmico | Alto | Moderado | PTFE |
| Reparabilidad | Bien | Bien | Igual |
| Vida útil en servicio de refrigeración. | 15-20 años | 10 a 15 años | PTFE |
| Costo de capital para servicio de 20 kW | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Costo de instalación | $2,500 | $2,500 | Igual |
| Costo de mantenimiento anual | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Costo total de cinco-años | $33,500 | $33,500 | Igual |
Los valores del costo total de cinco-años suponen un valor de producción de $400 por hora e incluyen el costo de capital, el costo de instalación y el costo de mantenimiento durante cinco años. El costo total de cinco-años es esencialmente igual porque el menor costo de capital de FEP se compensa con el mayor costo de mantenimiento.
Cuando FEP es la mejor opción
FEP es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de baja-temperatura sin flexiones.A temperaturas inferiores a 50 grados y con tubos soportados rígidamente, el FEP funciona tan bien como el PTFE con un costo de capital menor.
Servicio de permeación no-crítico.Cuando la permeación de gases o líquidos a través de la pared del tubo no es un problema, el FEP es adecuado.
Requisito de vida útil corta.Cuando se espera que el intercambiador de calor tenga una vida útil de 10 años o menos, el FEP es adecuado y menos costoso.
Aplicaciones sensibles al coste-.Cuando el presupuesto de capital es limitado, FEP proporciona un rendimiento adecuado a un costo menor.
Servicio de refrigeración estándar.Para un servicio de enfriamiento estándar sin requisitos químicos o mecánicos inusuales, FEP es adecuado.
Cuando el PTFE es la mejor opción
El PTFE es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de flexión.Cuando los tubos están sujetos a vibraciones, ciclos térmicos o movimientos mecánicos, el PTFE tiene una mayor resistencia a la fatiga por flexión que el FEP.
Servicio sensible a la permeación-.Cuando la permeación de gases o líquidos a través de la pared del tubo es un problema, el PTFE tiene tasas de permeación más bajas que el FEP.
Servicio de alta-temperatura.Cuando la temperatura de funcionamiento puede exceder los 200 grados, se requiere PTFE porque el FEP se ablanda y pierde resistencia.
Requisito de larga vida útil.Cuando se espera que el intercambiador de calor tenga una vida útil de 15 años o más, el PTFE es la mejor opción porque tiene mayor resistencia mecánica y mejor resistencia a la fluencia.
Servicio de alta-pureza.Cuando el fluido del proceso es sensible a la contaminación, el PTFE tiene tasas de permeación más bajas y menores extraíbles que el FEP.
Características de diseño que afectan la selección
Varias características de diseño afectan la selección entre PTFE y FEP.
Separación de soportes de tubos.Un espaciamiento más estrecho entre los soportes de los tubos reduce la flexión de los tubos, lo que reduce el requisito de fatiga por flexión y permite el uso de FEP.
Velocidad del flujo.Una mayor velocidad del flujo aumenta la vibración y la flexión de los tubos, lo que favorece al PTFE.
Frecuencia de ciclos térmicos.Los ciclos térmicos más frecuentes aumentan la flexión de los tubos, lo que favorece al PTFE.
Sensibilidad al fluido de proceso.Los fluidos de proceso más sensibles requieren tasas de permeación más bajas, lo que favorece al PTFE.
Margen de temperatura de funcionamiento.Un margen mayor entre la temperatura de funcionamiento y el límite del material proporciona más flexibilidad para cambios futuros en el proceso, lo que favorece al PTFE.
Parámetros de especificación para enfriamiento químico a baja-temperatura
Los ingenieros de equipos que evalúan intercambiadores de calor de PTFE y FEP para enfriamiento químico a baja-temperatura deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Química del fluido refrigerante.Especifique la composición del fluido refrigerante, incluida la concentración de glicol, salmuera u otros aditivos.
Temperatura de funcionamiento.Especifique la temperatura máxima de funcionamiento y el perfil de temperatura esperado.
Sensibilidad al fluido de proceso.Especifique la sensibilidad del fluido del proceso a la contaminación por permeación.
Condiciones de flexión.Especifique la vibración, los ciclos térmicos y el movimiento mecánico que experimentarán los tubos.
Requisito de vida útil.Especifique la vida útil prevista y el calendario de sustitución.
Carga de calor y superficie.Especifique la carga de calor y el área de superficie requerida para cada opción de material.
Limitaciones de espacio.Especifique el espacio disponible y el espacio máximo permitido.
Capacidad de mantenimiento.Especificar la capacidad de mantenimiento de la instalación.
Adaptación de la selección de materiales a las condiciones del servicio de refrigeración
La selección entre intercambiadores de calor de PTFE y FEP en enfriamiento químico a baja-temperatura depende de las condiciones de flexión, la sensibilidad de la permeación, los requisitos de vida útil y la sensibilidad al costo. FEP es adecuado para servicios de baja-temperatura sin problemas de flexión ni permeación, y es menos costoso. Se requiere PTFE para servicios con problemas de flexión, permeación o requisitos de larga vida útil.
La decisión de selección debe basarse en un análisis-específico de la instalación que incorpore el costo de capital, el costo de instalación, el costo de mantenimiento y la exposición a pérdidas de producción. Un modelo de hoja de cálculo simple con estos componentes de costos proporciona la información necesaria para tomar la decisión.
Para las instalaciones de enfriamiento químico de baja-temperatura que evalúan opciones de intercambiadores de calor, la selección del material debe basarse en el costo total de propiedad durante la vida útil esperada, no solo en el costo de capital. Una unidad FEP con un costo de capital más bajo puede tener un costo de vida útil más alto si requiere un reemplazo más frecuente.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para enfriamiento químico a baja-temperatura u otros servicios corrosivos pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la química del fluido de enfriamiento, la temperatura de funcionamiento, la sensibilidad del fluido de proceso, las condiciones de flexión y los requisitos de vida útil para confirmar que la selección del material coincide con las condiciones de servicio reales y la estructura de costos de la instalación.
