Kakva je toplinska vodljivost čelične cijevi-obložene fluoropolimerom u usporedbi s čvrstim PTFE-om?

Čvrste PTFE cijevi su kemijski otporne, ali mehanički slabe. Potreban je debeli zid kako bi se dobio razuman nazivni tlak. Ova debljina znači veliki toplinski otpor. Dobra opcija je čelična cijev s malim slojem kemijski otpornog fluoropolimera iznutra. Ova kompozitna struktura ima čvrstoću metala i otpornost plastike na koroziju. S toplinske točke gledišta, tanka plastična obloga znatno je manja barijera od debele stijenke čvrste PTFE cijevi, a ukupna izvedba prijenosa topline obložene cijevi može biti iznenađujuće bolja. U ovom radu pregledavamo usporedbu između toplinske vodljivosti čelične cijevi obložene fluoropolimerom i čvrstog PTFE-a u stvarnim primjenama prijenosa topline.

Što je toplinski otpor u cjevastim sustavima
Opći koncept za toplinski otpor
Ukupni otpor prolazu topline kroz stijenku cijevi zbroj je otpora različitih slojeva. Za jednoslojnu cijev (čvrsti PTFE) otpor je povezan s debljinom stijenke i obrnuto proporcionalan toplinskoj vodljivosti materijala. Za kompozitnu cijev (čelik i košuljica) zbraja se otpornost čelične ljuske i fluoropolimerne košuljice.

Vrijednosti toplinske vodljivosti materijala
Toplinska vodljivost čvrstog PTFE-a je oko 0,25 W/(m·K) na sobnoj temperaturi, niska -usporediva s toplinskim izolatorom.

Ugljični čelik ima toplinsku vodljivost od oko 45-50 W/(mK), što je oko 200 puta više od PTFE-a.

Toplinska vodljivost obloga od fluorpolimera (PTFE, PFA, FEP) također je niska, oko 0,20-0,25 W/(m·K).

Glavna razlika nije inherentna vodljivost plastike, već debljina koja je neophodna u svakom dizajnu.

Puna PTFE cijev-debelih stijenki naspram obložene čelične cijevi
Čelična cijev obložena-fluoropolimerom, tanka plastika, vodljivi metal
Za obloženu čeličnu cijev čelična ljuska je izvrstan vodič, a strukturni tlak u potpunosti preuzima čelična ljuska. Fluorpolimer, često PTFE ili PFA, samo treba biti kemijski otporan, stoga se nanosi kao tanki premaz, obično debljine 0,5 do 1,0 mm. Debljina čelične stijenke postavljena je tako da drži pritisak (obično 2-5 mm), iako visoka vodljivost čelika doprinosi relativno malom toplinskom otporu.

Za obloženu cijev s 1,0 mm PTFE oblogom i 3,0 mm stijenkom od čelika, ukupni toplinski otpor je:

Otpor obloge: 0.0010.25=0.004 m2K/W 0,250.001​=0.004 m2K/W

Otpornost čelika: 0,00345≈0,00007 m2K/W450,003​≈0,00007 m2K/W (neznatno)

Ukupni otpor: ~0,00407 m 2 K/W

To je otprilike trećina otpora čvrste PTFE cijevi od 3 mm (0,012 m²K/W). U praksi, toplinska vodljivost čelične cijevi obložene fluoropolimerom za razliku od čvrstog PTFE-a pokazuje da obložena cijev daje mnogo bolju ukupnu učinkovitost prijenosa topline.

To je pametan kompozit: tanka koža od toplinski agilne plastike na vrhu robusnog, vodljivog čeličnog kostura. Obložena cijev pobjeđuje debelu, čvrstu plastičnu cijev u toplinskoj utrci.

Praktične implikacije za dizajn izmjenjivača topline
Poboljšana U-vrijednost i kompaktnija oprema
Ukupni toplinski otpor obložene cijevi obično je 50-70% niži od otpora pune PTFE cijevi jednakog tlačnog opterećenja. Stoga izmjenjivači topline napravljeni s obloženim cijevima mogu imati veću ukupnu U-vrijednost. ovo je omogućeno:

Smanjena površina prijenosa topline za sličan zadatak

Kompaktnije izvedbe izmjenjivača

Kraća vremena zadržavanja tekućine koja mogu biti korisna za procesne tokove osjetljive na temperaturu

Tipične namjene
Ova se metoda naširoko primjenjuje na cjevovode velikog promjera (2 inča i veće) i spremnike kao što su obloženi reaktori, spremnici za skladištenje i ljuskasti-i-cijevni izmjenjivači topline u jako korozivnim uslugama kao što su klorovodična kiselina, vruća sumporna kiselina ili agresivna klorirana otapala.

Kritična tehnička razmatranja
Trebamo savršenu vezu-bez praznine
Fluorpolimerna obloga mora se savršeno i potpuno{0}}bez šupljina spojiti s čeličnom podlogom. Svaki razmak ili raslojavanje stvara zračni sloj toplinske vodljivosti samo ~0,025 W/(m·K)-deset puta niže od PTFE-a. Zračni raspor je vrlo loš toplinski izolator. Također dopušta korozivnoj procesnoj tekućini da dospije ispod obloge uzrokujući koroziju ispod-linije. Skrivena korozija može brzo probušiti čeličnu ljusku iznutra bez ikakvih vanjskih dokaza.

Rizici od odvajanja košuljice ili rupica
Glavna razlika-u odnosu na obloženu cijev u odnosu na čvrsti PTFE je mogućnost mehaničkog kvara obloge. Ako se obloga odvoji (odigne od čelika) ili razvije rupu, korozivna tekućina dolazi u izravan kontakt s čelikom. Čak i rupica može uzrokovati lokaliziranu koroziju i eventualni kvar cijevi. Stoga je za obložene cijevi potrebna stroga kontrola kvalitete u proizvodnji--obično ispitivanjem iskrenja ili detekcijom odmora visokog napona--i periodični pregled tijekom rada.

Proizvodni procesi
Na obloge od fluorpolimera primjenjuju se mnoge tehnike:

Labava podstava (ne-vezana) interferentno pristajanje

Lijepljenje ili sinteriranje (za PTFE) .

Injekcijsko prešanje ili rotolining (u slučaju PFA i FEP)

Za maksimalan prijenos topline poželjne su lijepljene obloge s punim kontaktom površine.

Zaključak: dva materijala kombinirana za bolju toplinsku izvedbu
Čelična cijev obložena fluoropolimerom pametan je toplinski kompromis, koji koristi strukturnu čvrstoću metala kako bi se omogućio mnogo tanji, a time i toplinski učinkovitiji premaz-otporan na koroziju. Plastika je loš vodič, ali drastično smanjenje potrebne debljine – od nekoliko milimetara u čvrstom PTFE-u do manje od jednog milimetra u obloženoj cijevi – to više nego kompenzira. Rezultirajuća konstrukcija je kompozitna struktura koja ima bolje ukupne karakteristike prijenosa topline od čvrste PTFE cijevi debelih stijenki, a istovremeno zadržava izvrsnu kemijsku otpornost.

Često je optimalna opcija prijenosa topline brak dvaju različitih materijala. Za čelične cijevi obložene fluoropolimerom, kombinacija čvrstoće i vodljivosti čelika s kemijskom inertnošću PTFE-a rezultira komponentom koja je bolja od bilo kojeg materijala pojedinačno. Kompromis-od-potencijalnog rizika od odvajanja ili rupice-rješava se strogom kvalitetom proizvodnje i rutinskom inspekcijom. S ovim zaštitnim mjerama, obložena cijev nudi elegantno, toplinski učinkovito rješenje za korozivne zadatke grijanja ili hlađenja.