Determination of new flow director materials for PSHE heat exchanger adapted to current needs

Abstract

In this Master´s thesis, the basic plate and shell heat exchanger structure´s design and principle of operation will be described. The structure is described from the point of view of the manufacturer specific flow directors. The main topic of the thesis is to determine the flow director requirements in the heat exchanger use and analyze the material requirements for new material selection. Deep analysis of the materials used as a flow director in Vahterus heat exchanger has been carried out based on the data from Vahterus sales. Based on the data analysis and reviewing the structural requirements the further requirements for the new material was be described. Also, a material properties of currently used flow director materials have been identified and analyzed to create requirements for the identification of new alternative materials. Significant amount of the Vahterus heat exchangers are equipped with flow director made of PTFE. PTFE has a wide chemical and thermal resistance and because of that it is used in the applications which requires high thermal or chemical resistance. As the PTFE is classified in many sources as belong to PFAS substances. PFAS compounds known to be harmful and risk to the health and environment and the use and manufacturing of some PFAS substances is limited and banned due to the risks by different regulations globally. There is currently new EU wide PFAS restriction proposal under consideration which could lead to new bans and restrictions of several PFAS chemicals. As the PTFE is currently the only available flow director material for many chemically and thermally harsh heat exchanger applications there is a need to prepare for coming restrictions with the mapping of PFAS free alternatives. Alternative material mapping was carried out in a first place by conducting various searches based on internet search engines and artificial intelligence mapping. The rough mapping was made based on material requirements defined on the basis of previously used materials and data. Further alternative material mapping was carried out by contacting Vahterus material suppliers. Through the material mapping there was found few possible material options which are suggested to be tested for the future if some restrictions occur for manufacturing or use of PTFE. The best material options are currently possible to produce in a form of braided packing according to best estimation. The form of a packing is not the most ideal form of flow director material, but it should be still suitable to assembly although its installation takes more time than with some of the materials currently used. The proposed alternative materials through this thesis require further research and testing on their chemical resistance properties and suitability to heat exchanger structure if new material selection will be taken forward.

Tässä diplomityössä kuvataan levylämmönsiirtimen rakenne sekä perustoimintaperiaate. Rakennetta kuvaillaan kyseisiin lämmönsiirtimiin varta vasten suunniteltujen virtausohjaimien näkökulmasta. Pääaiheena opinnäytetyössä on määrittää virtausohjaimien materiaalivaatimukset Vahteruksen lämmönsiirtimissä, sekä analysoida materiaaliominaisuuksia vaihtoehtoisten materiaalien määritystä varten. Vahteruksen lämmönsiirtimissä käytetyistä materiaaleista tehtiin syvällinen analyysi käymällä läpi kuluneiden kuuden vuoden myyntiin liittyviä suunnittelu- ja asiakasvaatimuksia. Uuden virtausohjainmateriaalin selvitystä ja hakua varten määriteltiin materiaalivaatimuksia, jotka perustuivat rakenteen luomiin rajoituksiin ja analysoituun dataan. Tämän lisäksi tällä hetkellä käytössä olevien virtausohjainmateriaalien materiaaliominaisuuksia käsiteltiin ja niitä on käytetty uusien materiaalien määrityksessä. Suuri osa Vahteruksen lämmönsiirtimistä on tällä hetkellä varustettu PTFE:stä valmistetuilla virtausohjaimilla. PTFE:llä on hyvin laajat kemialliset sekä lämpötilan kesto ominaisuudet ja siitä syystä PTFE:tä käytetään monissa sovellutuksissa, joissa vaaditaan korkeaa lämpötilan tai kemikaalin kestoa. PTFE luokitellaan monien lähteiden mukaan PFAS-yhdisteeksi. PFAS-yhdisteiden tiedetään olevan haitallisia ja vaarallisia terveydelle sekä ympäristölle ja tämän takia PFAS-yhdisteiden käyttöä ja valmistusta on jo rajoitettu erilaisin säädöksin maailmanlaajuisesti. PFAS-yhdisteisiin liittyen EU:lla on työn alla laaja PFAS-yhdisteisiin liittyvä rajoitusehdotus, joka voi johtaa useiden PFAS-yhdisteiden rajoitukseen tai käyttökieltoon. Tämän takia, koska PTFE on tällä hetkellä ainut saatavilla oleva virtausohjainmateriaali vaativiin sovellutuksiin, on tarve valmistautua kartoittamalla uusia PFAS-vapaita vaihtoehtoisia materiaaleja PTFE:n tilalle. Vaihtoehtoisen materiaalin kartoitus toteutettiin tekemällä ensin hakuja ja kartoitusta käyttäen internetin hakukoneita sekä tekoälyä. Karkea alun materiaalikartoitus tehtiin käyttäen avuksi aiemmin käytettyjen materiaalien sekä aiempien lämmönsiirtimien vaatimuksia, joita koottiin työn aikaisemmassa vaiheessa yhteen. Kun alustava materiaalien kartoitus oli tehty, oltiin yhteydessä Vahteruksen materiaalitoimittajiin. Kyseisen kartoituksen avulla löydettiin muutamat materiaalivaihtoehdot, joita ehdotetaan testattavaksi sekä lisätutkimuksiin tulevaisuudessa, jos PTFE:n valmistukselle tai käytölle asetetaan rajoituksia. Kartoituksen kautta löydettyjä materiaalivaihtoehtoja on parhaan arvion mukaan mahdollista valmistaa punotun tiivisteen muodossa. Punottu tiiviste ei ole virtausohjaimeksi parhaiten soveltuvin muoto, mutta perustuen tällä hetkellä käytettyyn punokseen sen tulisi olla soveltuva asennettavaksi lämmönsiirtimeen. Kyseinen punottu tiiviste on hitaampaa asentaa levypakkaan, kun tällä hetkellä eniten käytetyt varta vasten virtausohjaimeksi suunnitellut profiilit ovat asentaa. Tämän tutkielman pohjalta ehdotetut materiaalivaihtoehdot vaativat lisätutkimuksia ja testejä niiden kemiallisen soveltuvuuden sekä asennuksen suhteen, jos uuden materiaalin valintaa viedään eteenpäin.