Pevná PTFE trubice je chemicky neporazitelná, ale mechanicky slabá. Pro dosažení přiměřeného tlaku musí být jeho stěna silná a tato tloušťka dodává významný tepelný odpor. Chytrou alternativou je ocelová trubka vyložená tenkou, chemicky odolnou fluoropolymerovou vrstvou. Tato kompozitní struktura spojuje pevnost kovu s odolností plastu proti korozi. Z tepelného hlediska je tenká plastová výstelka mnohem menší bariérou než tlustá stěna pevné PTFE trubice a celkový přenos tepla potažené trubice může být překvapivě lepší. Tento článek zkoumá, jaktepelná vodivost ocelových trubek potažených fluoropolymerem vs. pevný PTFEsrovnání se odehrává ve skutečných aplikacích přenosu tepla.
Pochopení tepelného odporu v trubkových systémech
Koncepce celkového tepelného odporu
Celkový odpor vůči tepelnému toku stěnou trubky je součtem odporů, kterými přispívá každá jednotlivá vrstva. U jednovrstvé trubice (plného PTFE) je odpor přímo úměrný tloušťce stěny a nepřímo úměrný tepelné vodivosti materiálu. U kompozitní trubky (ocel plus vložka) se odpory ocelového pláště a fluoropolymerového obložení sčítají.
Hodnoty tepelné vodivosti materiálů
Pevný PTFEmá tepelnou vodivost přibližně 0,25 W/(m·K) při pokojové teplotě, což je málo-ve srovnání s tepelným izolantem.
Uhlíková ocelmá tepelnou vodivost zhruba 45–50 W/(m·K), téměř 200krát vyšší než PTFE.
Fluorpolymerové vložky(PTFE, PFA, FEP) sdílejí podobně nízkou tepelnou vodivost, kolem 0,20–0,25 W/(m·K).
Klíčovým rozdílem není vlastní vodivost plastu, ale tloušťka požadovaná v každém provedení.
Porovnání tlustostěnné plné PTFE trubky s vyvložkovanou ocelovou trubkou
Fluoropolymerová-ocelová trubka: tenký plast, vodivý kov
Ve vložkované ocelové trubce je jmenovitý konstrukční tlak plně nesen ocelovým pláštěm, který je dobrým vodičem. Fluorpolymerová výstelka-obvykle PTFE nebo PFA-musí poskytovat pouze chemickou odolnost, a proto se nanáší jako tenká vrstva, obvykle 0,5–1,0 mm silná. Tloušťka ocelové stěny je zvolena pro tlakovou izolaci (obvykle 2–5 mm), ale vysoká vodivost oceli dodává velmi malý tepelný odpor.
U vyložené trubky s 1,0 mm PTFE výstelkou a 3,0 mm ocelovou stěnou je celkový tepelný odpor:
Odpor obložení: 0.0010.25=0.004 m2K/W0,250,001=0.004 m2K/W
Odolnost oceli: 0,00345≈0,00007 m2K/W450,003≈0,00007 m2K/W (zanedbatelné)
Celkový odpor: ~0.00407 m²K/W
To je zhruba jedna-třetina odporu 3mm pevné PTFE trubice (0,012 m²K/W). V praxi jetepelná vodivost ocelových trubek potažených fluoropolymerem vs. pevný PTFEsrovnání ukazuje, že vyložená trubice nabízí výrazně lepší celkový výkon přenosu tepla.
Vystlaná trubka je chytrý kompozit s tenkou, tepelně svižnou plastovou kůží na silném vodivém ocelovém skeletu, který překonává silnou, pevnou plastovou trubku v tepelném závodě.
Praktické důsledky pro návrh výměníku tepla
Lepší U-hodnota a kompaktnější vybavení
Vzhledem k tomu, že celkový tepelný odpor vložkované trubky je často o 50–70 % nižší než u pevných PTFE trubek s ekvivalentním jmenovitým tlakem, mohou tepelné výměníky vyrobené s vložkovanými trubkami dosáhnout vyšší celkové hodnoty U-. To umožňuje:
Menší teplosměnná plocha pro stejný výkon
Kompaktnější konstrukce výměníků
Snížená doba setrvání tekutiny, což může být výhodné pro procesní toky-citlivé na teplotu
Typické aplikace
Tato technologie se běžně používá pro potrubí velkého{0}}průměru (2 palce a více) a nádoby, jako jsou vyložené reaktory, skladovací nádrže a plášťové-a{3}}trubkové výměníky tepla ve vysoce korozivních zařízeních-, například při manipulaci s kyselinou chlorovodíkovou, horkou kyselinou sírovou nebo agresivními chlorovanými rozpouštědly.
Kritická technická hlediska
Need for a Perfect, Void-Free Bond
Spojení mezi fluoropolymerovou výstelkou a ocelovým podkladem musí být dokonalé a zcela bez dutin. Jakákoli mezera nebo delaminace vytváří vzduchovou vrstvu, která má tepelnou vodivost pouze ~0,025 W/(m·K)- desetkrát nižší než PTFE. Vzduchová mezera působí jako silný tepelný izolátor a také umožňuje prosakování korozní procesní kapaliny za obložení, což vede ke korozi podložení. Tato skrytá koroze může rychle perforovat ocelovou skořepinu zevnitř bez jakéhokoli viditelného vnějšího znamení.
Nebezpečí odlepení obložení nebo dírek
Primárním kompromisem-vyvložkované trubky oproti pevnému PTFE je riziko mechanického selhání vyložení. Pokud se obložení oddělí (oddělí se od oceli) nebo se vytvoří dírka, korozní kapalina se dostane přímo do kontaktu s ocelí. I malá dírka může vést k místní korozi a případnému selhání trubky. Vyvložkované trubice proto vyžadují pečlivou kontrolu kvality během výroby-obvykle pomocí jiskrových zkoušek nebo-detekce vysokého napětí během prázdnin-a pravidelné kontroly v provozu.
Výrobní metody
Fluorpolymerové obklady se nanášejí několika způsoby:
Volná podšívka (ne-spojená) s přesahem
Lepení nebo slinování (pro PTFE)
Vstřikování nebo rotolining (pro PFA a FEP)
Pro optimální přenos tepla je preferováno lepené obložení s celoplošným kontaktem.
Závěr: Snoubení dvou materiálů pro vynikající tepelný výkon
Ocelová trubka- potažená fluoropolymerem je chytrý tepelný kompromis, který využívá strukturální pevnost kovu a umožňuje vytvořit mnohem tenčí, a tedy tepelně účinnější vrstvu odolnou proti korozi-. Přestože samotný plast je špatný vodič, dramatické snížení požadované tloušťky-z několika milimetrů u plného PTFE na méně než jeden milimetr u vložkované trubice-více než kompenzuje. Výsledkem je kompozitní struktura, která nabízí lepší celkový přenos tepla než tlustostěnná pevná trubice z PTFE, při zachování vynikající chemické odolnosti.
Nejlepším řešením přenosu tepla je často spojení dvou různých materiálů. V případě ocelových trubek s fluoropolymerem-vytváří spojení pevnosti a vodivosti oceli s chemickou inertností PTFE součást, která překonává oba materiály samotné. Kompromisní-riziko odlepení nebo dírek-je řízeno přísnou kvalitou výroby a rutinní kontrolou. Při dodržení těchto opatření poskytuje vložkovaná trubka elegantní, tepelně účinnou odpověď na korozní ohřev nebo chlazení.
