航空宇宙における重量の重要性
航空機や宇宙船の化学処理システム-腐食防止のための表面処理、エンジン部品の洗浄液、熱制御液-には、地上の化学プラントには見られない制約が課せられます。-機器の質量が 1 キログラム増えるごとに、積載量が直接減少します。民間航空機の場合、1 キログラム節約すると、航空機の寿命全体で約 500 ドルの燃料節約に相当します。宇宙船の場合、地球低軌道までの打ち上げコストは 1 キログラムあたり 2,500 ドルから 5,000 ドルの範囲です。
熱交換器は、航空宇宙化学処理システムの最も重いコンポーネントの 1 つです。それらの質量は、材料の密度、熱負荷に必要な表面積、および必要な構造的サポートによって決まります。チタン-パラジウム合金（Ti-0.2Pd、グレード 7）は、耐腐食性の航空宇宙用熱交換器用の標準的な金属の選択肢です。チタンの耐食性とパラジウムの強化された不動態性を組み合わせています。
PTFE は大幅な軽量化を実現します。材料密度は 2,200 kg/m3 であるのに対し、チタン-パラジウム-の場合は 4,510 kg/m3 で半分以下です。重金属のヘッダーやサポート構造の排除と組み合わせると、PTFE 熱交換器の設置重量は通常、チタン - パラジウム同等の 15-25% になります。
重量の内訳の比較
航空宇宙化学処理用の 30 kW 熱交換器の重量比較を示します。チタン-パラジウム ユニットは、1.0 平方メートルの伝熱面を備えたコンパクトなシェル-と-の設計です。 PTFE ユニットは熱伝導率が低いため、同等の LMTD で同じ負荷を実現するには 3.5 m² の表面積が必要です。
3.5 倍の表面積が必要であるにもかかわらず、PTFE ユニットの重量は大幅に軽減されます。 PTFE チューブの重量は 1.8 kg (3.5 m2 × 0.8 mm 壁 × 2,200 kg/m3) です。 PTFE ヘッダーとサポート フレームにより 3.5 kg が追加されます。総 PTFE 乾燥重量: 5.3 kg。
チタン-パラジウム チューブの重量は 4.5 kg (1.0 m² × 1.0 mm 壁 × 4,510 kg/m3) です。チタンシェル、チューブシート、サポートフレームにより 22 kg の重量が追加されます。チタン-パラジウムの合計乾燥重量: 26.5 kg。
| 重みパラメータ | チタン-パラジウム（グレード 7） | PTFE |
|---|---|---|
| 30 kW デューティの表面積 (m²) | 1.0 | 3.5 |
| チューブ材質密度 (kg/m3) | 4,510 | 2,200 |
| チューブ肉厚(mm) | 1.0 | 1.0 |
| チューブ質量(kg) | 4.5 | 1.8 |
| ヘッダー/シェル質量(kg) | 15 | 2.0 |
| サポートフレーム質量(kg) | 7 | 1.5 |
| 総乾燥重量(kg) | 26.5 | 5.3 |
| 重量-対-デューティ比（kg/kW） | 0.88 | 0.18 |
| 設置重量（配管接続含む、kg） | 32 | 8 |
| 打ち上げコスト 3,000 ドル/kg によるペイロードペナルティ | $96,000 | $24,000 |
構造重量と設置重量のカスケード
PTFE の重量上の利点は、熱交換器自体にとどまりません。チタン- ユニットは乾燥重量 26.5 kg で、静的重量と振動や操作による動的負荷を考慮した構造的な取り付けポイントが必要です。航空機または宇宙船の構造は、この集中した質量を支えるために局所的に強化されなければなりません。構造補強により質量が追加され、車両の設計全体に影響を与えます。
5.3 kg の PTFE ユニットは、タンク構造自体または最小限のブラケットでサポートできます。分散された軽量荷重により、局所的な構造補強は必要ありません。配管接続、断熱材、構造付属品を含む設置重量--は、チタン-設置重量の約-4分の1です。
PTFE の設置による総ペイロードペナルティは商業打ち上げ費用で約 24,000 ドルであるのに対し、チタン-システムの場合は 96,000 ドルです。熱交換器あたり 72,000 ドルのペイロード容量の節約は、航空宇宙システムの設計において重要な要素です。
腐食とメンテナンスの相乗効果
PTFE の重量上の利点は、その耐腐食性によって補完されます。チタン-パラジウムは耐久性に優れていますが、あらゆる航空宇宙用化学物質の影響を受けないわけではありません。特定のフッ素化作動油、酸性洗浄液、および混合溶剤は、不動態皮膜を攻撃する可能性があります。熱交換器の交換を必要とする各腐食事象は、機器コストだけでなく、交換品の投入による積載量のペナルティも発生します。
PTFE は普遍的な化学的不活性性を備えているため、腐食による交換が不要になります。{0}}車両の試運転時に取り付けられた熱交換器は、車両の寿命が続くまで引き続き使用されます。 -車両に保管されている、または交換品として発売されている-予備の熱交換器の積載量ペナルティがなくなりました。
まとめ
PTFE 熱交換器は、チタン-航空宇宙化学処理用パラジウム合金-の設置重量 0.88 kg/kW に対して 0.18 kg/kW よりも約 4.9 倍優れた重量対性能比を実現します。{0}{1} PTFE は熱伝導率が低いため、より多くの表面積が必要であるにも関わらず、フッ素ポリマーの低密度と重金属構造の除去がそれを補って余りあるため、軽量化が達成されます。ペイロード容量の節約{11}}商用打ち上げコストで熱交換器あたり約 72,000 ドルが節約できることは、航空宇宙システム設計において魅力的な要素です。
航空宇宙用途における軽量 PTFE 熱交換器設計のエンジニアリング サポートは、熱負荷、動作温度と圧力、プロセス流体の化学的性質、質量予算の制約を提出すると利用できます。
