Imperativ težine u zrakoplovstvu
Sustavi kemijske obrade zrakoplova i svemirskih letjelica-površinska obrada za zaštitu od korozije, rješenja za čišćenje komponenti motora, tekućine za termičku kontrolu-postavljaju ograničenje kakvo nije pronađeno u zemaljskim-kemijskim postrojenjima: svaki kilogram mase opreme izravno smanjuje nosivost. U komercijalnom zrakoplovu ušteđeni kilogram znači otprilike 500 dolara uštede goriva tijekom vijeka trajanja zrakoplova. Na svemirskoj letjelici, cijena lansiranja po kilogramu u nisku Zemljinu orbitu kreće se od 2500 do 5000 dolara.
Izmjenjivači topline su među težim komponentama u sustavima obrade zrakoplovnih kemikalija. Njihova masa određena je gustoćom materijala, potrebnom površinom za grijanje i potrebnom konstrukcijskom potporom. Legura titan-paladija (Ti-0.2Pd, Grade 7) standardni je metalni izbor za izmjenjivače topline u zrakoplovstvu otporne na koroziju. Kombinira otpornost na koroziju titana s povećanom pasivnošću paladija.
PTFE nudi radikalno smanjenje težine. Gustoća materijala je 2200 kg/m³ naspram 4510 kg/m³ za titan-paladij-manje od pola. U kombinaciji s eliminacijom teških metalnih kolektora i potpornih struktura, instalirana težina PTFE izmjenjivača topline obično iznosi 15-25% ekvivalenta titan-paladija.
Usporedba raščlanjivanja težine
Izmjenjivač topline od 30 kW za kemijsku obradu u zrakoplovima ilustrira usporedbu težine. Jedinica od titan-paladija kompaktna je konstrukcija-i-cijevi s 1,0 m² površine za prijenos topline. PTFE jedinica zahtijeva 3,5 m² površine za isporuku istog opterećenja pri ekvivalentnom LMTD-u, zbog niže toplinske vodljivosti.
Unatoč tome što zahtijeva 3,5 puta veću površinu, PTFE jedinica teži znatno manje. PTFE cijevi teže 1,8 kg (3,5 m² × 0,8 mm stijenke × 2200 kg/m³). PTFE zaglavlja i potporni okvir dodaju 3,5 kg. Ukupna PTFE suha težina: 5,3 kg.
Titan-paladijeve cijevi teže 4,5 kg (1,0 m² × 1,0 mm stijenke × 4510 kg/m³). Titanijska ljuska, ploče cijevi i potporni okvir dodaju 22 kg. Ukupna suha težina titan-paladija: 26,5 kg.
| Parametar težine | Titan-Paladij (7. stupanj) | PTFE |
|---|---|---|
| Površina za rad od 30 kW (m²) | 1.0 | 3.5 |
| Gustoća materijala cijevi (kg/m³) | 4,510 | 2,200 |
| Debljina stijenke cijevi (mm) | 1.0 | 1.0 |
| Masa cijevi (kg) | 4.5 | 1.8 |
| Zaglavlja/masa školjke (kg) | 15 | 2.0 |
| Masa potpornog okvira (kg) | 7 | 1.5 |
| Ukupna suha težina (kg) | 26.5 | 5.3 |
| Omjer-težine-opterećenja (kg/kW) | 0.88 | 0.18 |
| Instalirana težina (uključujući priključke cjevovoda, kg) | 32 | 8 |
| Kazna za nosivost iznosi 3000 dolara po kg troška lansiranja | $96,000 | $24,000 |
Strukturna i instalacijska kaskada težine
Prednost PTFE-a u težini proteže se izvan samog izmjenjivača topline. Jedinica od titan-paladija, suha teška 26,5 kg, zahtijeva strukturne pričvrsne točke ocijenjene za statičku težinu plus dinamička opterećenja od vibracija i manevriranja. Struktura letjelice ili svemirske letjelice mora biti ojačana lokalno kako bi podržala ovu koncentriranu masu. Strukturno pojačanje dodaje masu koja se proteže kroz dizajn vozila.
PTFE jedinica od 5,3 kg može se poduprijeti samom strukturom spremnika ili minimalnim nosačima. Distribuirano lagano opterećenje ne zahtijeva lokalnu konstrukcijsku armaturu. Težina ugradnje-koja uključuje priključke cjevovoda, izolaciju i strukturalne dodatke-približno je jedna-četvrtina težine ugradnje od titana-paladija.
Ukupna kazna korisnog opterećenja za PTFE instalaciju je otprilike 24.000 USD po troškovima komercijalnog lansiranja, u usporedbi s 96.000 USD za titan-paladij sustav. Ušteda nosivosti od 72.000 dolara po izmjenjivaču topline značajan je čimbenik u dizajnu zrakoplovnog sustava.
Sinergija korozije i održavanja
Prednost PTFE-a u težini dopunjena je njegovom otpornošću na koroziju. Titan-paladij, iako je vrlo otporan, nije imun na sve kemikalije iz zrakoplovstva. Određene fluorirane hidrauličke tekućine, kisele otopine za čišćenje i miješana otapala mogu napasti pasivni film. Svaki slučaj korozije koji zahtijeva zamjenu izmjenjivača topline izaziva ne samo trošak opreme, već i kaznu korisnog tereta pokretanja zamjene.
Univerzalna kemijska inertnost PTFE-a eliminira zamjenu-potaknutu korozijom. Izmjenjivač topline instaliran prilikom puštanja vozila u rad ostaje u funkciji cijeli životni vijek vozila. Kazna korisne nosivosti za rezervne izmjenjivače topline-pohranjene u vozilu ili lansirane kao zamjene-eliminira se.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline nude omjer-na-učinkovitosti približno 4,9 puta povoljniji od titan-legure paladija za kemijsku obradu u zrakoplovima-0,18 kg/kW naspram 0,88 kg/kW instalirane težine. Smanjenje težine postignuto je unatoč nižoj toplinskoj vodljivosti PTFE-a koja zahtijeva veću površinu, jer niska gustoća fluoropolimera i eliminacija teških metalnih struktura to više nego kompenzira. Ušteda nosivosti-otprilike 72.000 USD po izmjenjivaču topline uz troškove komercijalnog lansiranja - važan je čimbenik u dizajnu zrakoplovnog sustava.
Inženjerska podrška za dizajn laganog PTFE izmjenjivača topline u zrakoplovnim aplikacijama dostupna je nakon podnošenja toplinskog opterećenja, radne temperature i tlaka, kemije procesne tekućine i proračunskih ograničenja mase.
