O imperativo do peso na indústria aeroespacial
Sistemas de processamento químico de aeronaves e espaçonaves-tratamento de superfície para proteção contra corrosão, soluções de limpeza para componentes de motores, fluidos de controle térmico-impõem uma restrição não encontrada em plantas químicas-terrestres: cada quilograma de massa de equipamento reduz diretamente a capacidade de carga útil. Em uma aeronave comercial, um quilograma economizado se traduz em aproximadamente US$ 500 em economia de combustível ao longo da vida útil da aeronave. Em uma espaçonave, o custo de lançamento por quilograma para a órbita baixa da Terra varia de US$ 2.500 a US$ 5.000.
Os trocadores de calor estão entre os componentes mais pesados nos sistemas de processamento químico aeroespacial. A sua massa é determinada pela densidade do material, pela área superficial necessária para o serviço térmico e pelo suporte estrutural necessário. A liga de titânio-paládio (Ti-0,2Pd, Grau 7) é a escolha metálica padrão para trocadores de calor aeroespaciais resistentes à corrosão. Combina a resistência à corrosão do titânio com a passividade aprimorada do paládio.
O PTFE oferece uma redução radical de peso. A densidade do material é de 2.200 kg/m³ contra 4.510 kg/m³ do titânio-paládio-menos da metade. Combinado com a eliminação de coletores metálicos pesados e estruturas de suporte, o peso instalado de um trocador de calor de PTFE é normalmente de 15-25% do equivalente de titânio-paládio.
A comparação de divisão de peso
Um trocador de calor de 30 kW para processamento químico aeroespacial ilustra a comparação de peso. A unidade de-paládio de titânio é um design compacto-e-de tubo com 1,0 m² de superfície de transferência de calor. A unidade de PTFE requer 3,5 m² de superfície para fornecer a mesma função com LMTD equivalente, devido à menor condutividade térmica.
Apesar de exigir 3,5 vezes a área de superfície, a unidade de PTFE pesa significativamente menos. Os tubos de PTFE pesam 1,8 kg (3,5 m² × 0,8 mm de parede × 2.200 kg/m³). Os coletores de PTFE e a estrutura de suporte acrescentam 3,5 kg. Peso seco total de PTFE: 5,3 kg.
Os tubos de titânio-paládio pesam 4,5 kg (1,0 m² × 1,0 mm de parede × 4.510 kg/m³). A carcaça de titânio, as placas tubulares e a estrutura de suporte adicionam 22 kg. Peso seco total de titânio-paládio: 26,5 kg.
| Parâmetro de peso | Titânio-Paládio (Grau 7) | PTFE |
|---|---|---|
| Área de superfície para serviço de 30 kW (m²) | 1.0 | 3.5 |
| Densidade do material do tubo (kg/m³) | 4,510 | 2,200 |
| Espessura da parede do tubo (mm) | 1.0 | 1.0 |
| Massa do tubo (kg) | 4.5 | 1.8 |
| Cabeçalhos/massa do casco (kg) | 15 | 2.0 |
| Massa da estrutura de suporte (kg) | 7 | 1.5 |
| Peso seco total (kg) | 26.5 | 5.3 |
| Relação peso-por{1}}trabalho (kg/kW) | 0.88 | 0.18 |
| Peso instalado (incluindo conexões de tubulação, kg) | 32 | 8 |
| Penalidade de carga útil de US$ 3.000/kg de custo de lançamento | $96,000 | $24,000 |
A cascata de peso estrutural e de instalação
A vantagem de peso do PTFE vai além do próprio trocador de calor. A unidade de titânio-paládio, pesando 26,5 kg a seco, requer pontos de fixação estruturais classificados para o peso estático mais cargas dinâmicas de vibração e manobras. A estrutura da aeronave ou nave espacial deve ser reforçada localmente para suportar esta massa concentrada. O reforço estrutural adiciona massa que se espalha pelo design do veículo.
A unidade de PTFE de 5,3 kg pode ser suportada pela própria estrutura do tanque ou por um suporte mínimo. A carga leve distribuída não necessita de reforço estrutural local. O peso da instalação-que inclui conexões de tubulação, isolamento e acessórios estruturais-é aproximadamente um-quarto do peso da instalação de titânio-paládio.
A penalidade total de carga útil para a instalação de PTFE é de aproximadamente US$ 24.000 em custos de lançamento comercial, em comparação com US$ 96.000 para o sistema de titânio-paládio. A economia de capacidade de carga útil de US$ 72.000 por trocador de calor é um fator significativo no projeto de sistemas aeroespaciais.
A sinergia entre corrosão e manutenção
A vantagem de peso do PTFE é complementada pela sua imunidade à corrosão. O titânio-paládio, embora altamente resistente, não é imune a todos os produtos químicos aeroespaciais. Certos fluidos hidráulicos fluorados, soluções de limpeza ácidas e solventes mistos podem atacar a película passiva. Cada evento de corrosão que requer a substituição do trocador de calor incorre não apenas no custo do equipamento, mas também na penalidade de carga útil do lançamento de uma substituição.
A inércia química universal do PTFE elimina a substituição-provocada por corrosão. O trocador de calor instalado no comissionamento do veículo permanece em serviço durante toda a vida útil do veículo. A penalidade de carga útil para trocadores de calor sobressalentes-armazenados no veículo ou lançados como substitutos-é eliminada.
Resumo
Os trocadores de calor de PTFE oferecem uma relação peso{0}}por{1}}desempenho aproximadamente 4,9 vezes mais favorável do que a liga de titânio-paládio para processamento químico aeroespacial-0,18 kg/kW versus 0,88 kg/kW de peso instalado. A redução de peso é alcançada apesar da menor condutividade térmica do PTFE exigir mais área superficial, porque a baixa densidade do fluoropolímero e a eliminação de estruturas metálicas pesadas mais do que compensam. A capacidade de carga útil economizada-aproximadamente US$ 72.000 por trocador de calor nos custos de lançamento comercial é um fator atraente no projeto de sistemas aeroespaciais.
O suporte de engenharia para projetos de trocadores de calor de PTFE leves em aplicações aeroespaciais está disponível mediante apresentação de tarefas térmicas, temperatura e pressão operacional, química de fluidos de processo e restrições de orçamento de massa.
