Як теплопровідність сталевої труби з-фторполімерним покриттям порівняно з твердим PTFE?

Суцільна PTFE труба є хімічно стійкою, але механічно слабкою. Щоб мати можливість отримати розумний номінальний тиск, потрібна товста стінка. Така товщина означає великий термічний опір. Хорошим варіантом є сталева трубка з невеликим шаром хімічно стійкого фторполімеру всередині. Ця композитна структура має міцність металу та стійкість до корозії пластику. З термічної точки зору тонка пластикова підкладка є значно меншим бар’єром, ніж товста стінка суцільної труби з ПТФЕ, і загальна тепловіддача труби з футеруванням може бути напрочуд кращою. У цій статті ми розглядаємо порівняння теплопровідності сталевої труби, покритої фторполімером, і твердого фторопласту в реальному застосуванні теплопередачі.

Що таке термічний опір у трубчастих системах
Загальне поняття про термічний опір
Загальний опір проходженню тепла через стінку труби є сумою опорів різних шарів. Для одношарової труби (суцільний PTFE) опір залежить від товщини стінки та обернено пропорційний теплопровідності матеріалу. Для композитної труби (сталь і вкладиш) додається опір сталевої оболонки та фторполімерного вкладиша.

Значення теплопровідності матеріалів
Теплопровідність твердого ПТФЕ становить приблизно 0,25 Вт/(м·К) за кімнатної температури, що є низьким-порівняним з теплоізолятором.

Вуглецева сталь має теплопровідність близько 45-50 Вт/(мК), що приблизно в 200 разів більше, ніж у PTFE.

Теплопровідність фторполімерних вкладишів (PTFE, PFA, FEP) також низька, близько 0,20-0,25 Вт/(м·К).

Основною відмінністю є не властива пластику провідність, а товщина, яка необхідна для кожної конструкції.

Товстостінні-тефлонові труби порівняно зі сталевими трубами з футеруванням
Сталева трубка з- фторполімерним покриттям, тонкий пластик, струмопровідний метал
Для футерованої сталевої труби сталева оболонка є чудовим провідником, а номінальний конструкційний тиск повністю приймається сталевою оболонкою. Фторполімер, часто PTFE або PFA, повинен бути лише хімічно стійким, тому його наносять у вигляді тонкого покриття, зазвичай товщиною від 0,5 до 1,0 мм. Товщина сталевої стінки встановлюється таким чином, щоб підтримувати тиск (зазвичай 2–5 мм), хоча висока провідність сталі створює відносно невеликий термічний опір.

Для футерованої труби з футеровкою 1,0 мм із PTFE та стінкою зі сталі 3,0 мм загальний термічний опір становить:

Опір футеровки: 0.0010.25=0.004 м2К/Вт 0,250.001​=0.004 м2К/Вт

Опір сталі: 0,00345≈0,00007 м2K/Вт450,003​≈0,00007 м2K/Вт (незначно)

Загальний опір: ~0,00407 м 2 К/Вт

Це приблизно третина опору 3-міліметрової суцільної PTFE трубки (0,012 м²K/Вт). На практиці теплопровідність сталевої труби з фторполімерним футеруванням на відміну від твердого PTFE демонструє, що футерована труба забезпечує набагато кращу загальну тепловіддачу.

Це розумний композит: тонка оболонка з термогнучкого пластику на міцному провідному сталевому каркасі. Облицьована трубка перевершує товсту тверду пластикову трубку в тепловій гонці.

Практичні наслідки для проектування теплообмінників
Покращена U-цінність і більш компактне обладнання
Загальний термічний опір футерованої труби зазвичай на 50-70% нижчий, ніж у суцільної труби з ПТФЕ такого ж номінального тиску. Тому теплообмінники, виготовлені з футерованих труб, можуть мати більший загальний U-значення. це включено:

Зменшена площа поверхні теплопередачі для аналогічного завдання

Більш компактні конструкції обмінників

Коротший час перебування рідини, що може бути корисним для чутливих до температури технологічних потоків

Типове використання
Цей метод широко застосовується до трубопроводів великого діаметру (2 дюйми та більше) і контейнерів, таких як облицьовані реактори, резервуари для зберігання та кожухотрубні-і-теплообмінники в сильно корозійних системах, таких як соляна кислота, гаряча сірчана кислота або агресивні хлоровані розчинники.

Критичні технічні міркування
Нам потрібен ідеальний зв’язок-без порожнечі
Фторполімерна підкладка має ідеально та без{0}}з’єднуватися зі сталевою підкладкою. Будь-який проміжок або розшарування забезпечує повітряний шар теплопровідністю лише ~0,025 Вт/(м·K)-у десять разів нижчою, ніж PTFE. Повітряний зазор є дуже поганим теплоізолятором. Це також дозволяє корозійній технологічній рідині потрапляти під облицювання, спричиняючи-корозію лінії. Прихована корозія може швидко пробити сталеву оболонку зсередини без будь-яких зовнішніх ознак.

Ризик відриву вкладиша або отворів
Основним компромісом між трубою з футеруванням і суцільним PTFE є можливість механічного пошкодження футерування. Якщо облицювання від’єднується (відривається від сталі) або утворюється дірка, корозійна рідина безпосередньо контактує зі сталлю. Навіть пробоїна може спричинити локалізовану корозію та можливу поломку трубки. Тому труби з футеруванням потребують суворого контролю якості під час виробництва--зазвичай шляхом перевірки іскри або виявлення відпустки під високою напругою, а також періодичної перевірки під час експлуатації.

Виробничі процеси
Для фторполімерних накладок застосовуються багато прийомів:

Вільна підкладка (не-з’єднана) з перешкодами

Склеювання або спікання (для PTFE) .

Лиття під тиском або ротаційна футерівка (у випадку PFA та FEP)

Для максимальної теплопередачі перевагу надають склеєним підкладкам із повним контактом поверхні.

Висновок: поєднання двох матеріалів для кращої теплової ефективності
Сталева труба, футерована фторполімером, є розумним термічним компромісом, оскільки структурна міцність металу використовується для створення набагато тоншого, а отже, термічно ефективнішого корозійно-{0}}стійкого покриття. Пластик є поганим провідником, але різке зменшення необхідної товщини – від кількох міліметрів у суцільному ПТФЕ до менше одного міліметра у футерованій трубі – це з лишком компенсує. Отримана конструкція є композитною конструкцією, яка має вищі загальні характеристики теплопередачі, ніж товстостінна труба з ПТФЕ-, зберігаючи чудову хімічну стійкість.

Часто оптимальним варіантом теплопередачі є шлюб двох різнорідних матеріалів. Для сталевих труб, покритих фторполімером, поєднання міцності та провідності сталі з хімічною інертністю PTFE призводить до створення компонента, який є кращим, ніж будь-який інший матеріал окремо. Компроміс-від-потенційних ризиків від’єднання чи точкових отворів-вирішується за допомогою суворої якості виробництва та планових перевірок. Завдяки цим запобіжним заходам футерована труба пропонує елегантне, термічно ефективне рішення для корозійного нагрівання або охолодження.