Aká je tepelná vodivosť fluórpolymérnej-oceľovej rúrky s vložkou v porovnaní s pevným PTFE?

Pevné PTFE hadičky sú chemicky odolné, ale mechanicky slabé. Na dosiahnutie primeraného tlaku je potrebná hrubá stena. Táto hrúbka znamená veľký tepelný odpor. Dobrou možnosťou je oceľová rúrka s malou vrstvou chemicky odolného fluoropolyméru vo vnútri. Táto kompozitná štruktúra má pevnosť kovu a odolnosť plastu proti korózii. Z tepelného hľadiska je tenká plastová výstelka podstatne menšou bariérou ako hrubá stena pevnej PTFE trubice a celkový výkon vystlanej trubice pri prenose tepla môže byť prekvapivo lepší. V tomto článku uvádzame porovnanie medzi tepelnou vodivosťou oceľovej rúrky potiahnutej fluórpolymérom a pevným PTFE v skutočných aplikáciách prenosu tepla.

Čo je tepelný odpor v rúrkových systémoch
Všeobecná koncepcia tepelného odporu
Celkový odpor proti prechodu tepla stenou rúrky je súčtom odporov rôznych vrstiev. Pre jednovrstvovú rúrku (pevný PTFE) odpor súvisí s hrúbkou steny a je nepriamo úmerný tepelnej vodivosti materiálu. Pre kompozitnú rúrku (oceľ a vložka) sa pripočítava odolnosť oceľového plášťa a fluórpolymérovej vložky.

Hodnoty tepelnej vodivosti materiálov
Tepelná vodivosť pevného PTFE je približne 0,25 W/(m·K) pri izbovej teplote, čo je nízka-vodivosť v porovnaní s tepelným izolantom.

Uhlíková oceľ má tepelnú vodivosť približne 45-50 W/(mK), čo je približne 200-krát viac ako tepelná vodivosť PTFE.

Tepelná vodivosť fluórpolymérových vložiek (PTFE, PFA, FEP) je tiež nízka, približne 0,20-0,25 W/(m·K).

Hlavným rozdielom nie je vlastná vodivosť plastu, ale hrúbka, ktorá je potrebná v každom dizajne.

Hrubá{0}}stenná pevná PTFE trubica vs. oceľová trubica s podšívkou
Oceľová trubica-potiahnutá fluoropolymérom, tenký plast, vodivý kov
Pre oceľovú rúrku s vložkou je oceľový plášť vynikajúcim vodičom a menovitý konštrukčný tlak je plne prevzatý oceľovým plášťom. Fluórpolymér, často PTFE alebo PFA, musí byť iba chemicky odolný, preto sa nanáša ako tenký povlak, zvyčajne s hrúbkou 0,5 až 1,0 mm. Hrúbka oceľovej steny je nastavená tak, aby udržala tlak (zvyčajne 2–5 mm), hoci vysoká vodivosť ocele prispieva k relatívne malému tepelnému odporu.

Pre vystlanú rúrku s 1,0 mm PTFE výstelkou a 3,0 mm stenou z ocele je celkový tepelný odpor:

Odolnosť obloženia: 0.0010.25=0.004 m2K/W 0,250,001​=0.004 m2K/W

Odolnosť ocele: 0,00345≈0,00007 m2K/W450,003​≈0,00007 m2K/W (zanedbateľné)

Celkový odpor: ~0,00407 m 2 K/W

To je asi tretina odporu 3 mm pevnej PTFE trubice (0,012 m²K/W). V praxi tepelná vodivosť oceľovej rúrky potiahnutej fluórpolymérom na rozdiel od tepelnej vodivosti pevného PTFE ukazuje, že vystlaná rúrka poskytuje oveľa lepší celkový výkon prenosu tepla.

Je to inteligentný kompozit: tenká vrstva tepelne agilného plastu na robustnom, vodivom oceľovom skelete. Vystlaná trubica porazí hrubú, pevnú plastovú trubicu v tepelnom okruhu.

Praktické dôsledky pre návrh výmenníkov tepla
Vylepšená hodnota U-a kompaktnejšie vybavenie
Celkový tepelný odpor vložkovanej trubice je zvyčajne o 50-70 % nižší ako u pevnej PTFE trubice rovnakého tlaku. Preto tepelné výmenníky vyrobené s vložkovanými rúrkami môžu mať vyššiu celkovú hodnotu U. toto je povolené:

Zmenšená plocha na prenos tepla pre podobnú úlohu

Kompaktnejšie konštrukcie výmenníkov

Kratšie časy zotrvania tekutiny, čo môže byť užitočné pre procesné prúdy citlivé na teplotu

Typické použitia
Táto metóda sa široko používa na potrubia s veľkým priemerom (2 palce a väčšie) a kontajnery, ako sú vyložené reaktory, skladovacie nádrže a plášťové-a{2}}rúrkové výmenníky tepla v silne korozívnych zariadeniach, ako je kyselina chlorovodíková, horúca kyselina sírová alebo agresívne chlórované rozpúšťadlá.

Kritické technické úvahy
Potrebujeme perfektný, neplatný-bezplatný dlhopis
Fluórpolymérová vložka sa musí dokonale a úplne bez dutín-pripojiť k oceľovému substrátu. Akákoľvek medzera alebo delaminácia poskytuje vzduchovú vrstvu s tepelnou vodivosťou iba ~0,025 W/(m·K)-desaťkrát nižšou ako PTFE. Vzduchová medzera je veľmi zlý tepelný izolant. Tiež umožňuje, aby sa korozívna procesná kvapalina dostala pod výstelku a spôsobila koróziu pod-linkou. Skrytá korózia môže rýchlo perforovať oceľový plášť zvnútra bez akýchkoľvek vonkajších dôkazov.

Nebezpečenstvo oddelenia vložky alebo dierky
Hlavným kompromisom-vložkovej trubice a pevného PTFE je možnosť mechanického zlyhania obloženia. Ak sa výstelka odlepí (nadvihne z ocele) alebo sa vytvorí dierka, korozívna kvapalina sa dostane do priameho kontaktu s oceľou. Dokonca aj malá dierka môže spôsobiť lokálnu koróziu a prípadné zlyhanie trubice. Vložkované rúry preto potrebujú prísnu kontrolu kvality vo výrobe- – zvyčajne testovaním iskier alebo vysokonapäťovou detekciou prázdnin – a pravidelnú kontrolu v prevádzke.

Výrobné procesy
Na fluoropolymérové ​​obklady sa používa mnoho techník:

Voľná ​​podšívka (nie{0}}spojená) s presahom

Lepenie alebo spekanie (pre PTFE) .

Vstrekovanie alebo rotolining (v prípade PFA a FEP)

Pre maximálny prenos tepla sa uprednostňujú lepené obklady s celoplošným kontaktom.

Záver: Kombinácia dvoch materiálov pre lepší tepelný výkon
Oceľová rúrka potiahnutá fluórpolymérom je šikovným tepelným kompromisom, ktorý využíva konštrukčnú pevnosť kovu na vytvorenie oveľa tenšieho, a teda tepelne účinnejšieho, korózii-odolného povlaku. Plast je slabý vodič, ale drastické zníženie potrebnej hrúbky – z niekoľkých milimetrov v pevnom PTFE na menej ako jeden milimeter v trubici s vložkou – to viac než kompenzuje. Výsledná konštrukcia je kompozitná štruktúra, ktorá má celkovo vyššie charakteristiky prenosu tepla ako hrubostenná tuhá PTFE trubica, pričom si zachováva vynikajúcu chemickú odolnosť.

Optimálnou možnosťou prenosu tepla je často spojenie dvoch odlišných materiálov. V prípade oceľových rúr s fluórpolymérovou-vrstvou vedie kombinácia pevnosti a vodivosti ocele s chemickou inertnosťou PTFE k zložke, ktorá je lepšia ako ktorýkoľvek z týchto materiálov samostatne. Kompromisné-odstúpenie-potenciálneho rizika odpojenia alebo dierky-sa rieši prísnou kvalitou výroby a rutinnou kontrolou. S týmito ochrannými prvkami ponúka vložkovaná trubica elegantné, tepelne efektívne riešenie pre korozívne vykurovacie alebo chladiace úlohy.