Rura stalowa pokryta szkłem to kompozyt zrodzony z dwóch światów: cienkiej, odpornej na korozję szklanej powłoki, chemicznie połączonej z mocną, wytrzymałą stalową powłoką. Z termicznego punktu widzenia nie jest on ani doskonałym przewodnikiem, jak lity metal, ani kompletnym izolatorem, jak gruby polimer. Jego wydajność jest delikatną średnią dwóch warstw. Zrozumienieprzewodność cieplna stali pokrytej szkłem w porównaniu z rurką PTFEporównanie jest niezbędne przy wyborze odpowiedniego wymiennika ciepła lub rury przesyłowej w procesach korozyjnych w wysokiej temperaturze.
Przewodność cieplna każdego składnika
Podszewka szklana – słaba, ale cienka bariera
Wykładzina szklana stosowana w rurach stalowych to zazwyczaj szkło borokrzemowe lub podobne szkło niezawierające alkaliów, opracowane pod kątem odporności chemicznej i tolerancji na szok termiczny. Jego przewodność cieplna jest niska: około1.0–1.2 W/m·Kw typowych temperaturach roboczych (20–200 stopni). Wartość ta jest w przybliżeniu czterokrotnie wyższa niż w przypadku PTFE (0,25 W/m·K), ale wciąż o rząd wielkości niższa niż w przypadku stali.
Jednak warstwa szkła jest bardzo cienka. W standardowej rurze stalowej pokrytej szkłem powłoka szklana jest nakładana o grubości0,8 do 1,5 mm(zwykle około 1 mm). Ponieważ opór cieplny jest proporcjonalny do grubości podzielonej przez przewodność (R=grubość / k), cienka warstwa przeciętnego przewodnika może nadal wykazywać stosunkowo niewielki opór.
Stalowy podkład – mocny przewodnik
Znajdująca się pod spodem rura stalowa (zwykle ze stali węglowej lub niskostopowej) ma przewodność cieplną wynoszącą około45–50 W/m·K– około 40–50 razy większa niż szkło i prawie 200 razy większa niż PTFE. Grubość stali wynosi zazwyczaj 2–5 mm, w zależności od ciśnienia znamionowego. Ponieważ stal jest dobrym przewodnikiem, a szkło jest cienkie, ogólny opór ściany kompozytowej jest zdominowany przez warstwę szkła, ale stal dodaje bardzo niewiele dodatkowego oporu.
Rurka PTFE – gruba ścianka o niskiej przewodności
Natomiast solidna rurka PTFE ma przewodność cieplną w przybliżeniu0.22–0.25 W/m·K. Aby uzyskać taką samą wytrzymałość mechaniczną i ciśnienie znamionowe jak rura stalowa pokryta szkłem, ścianka rury PTFE musi być znacznie grubsza. Na przykład rurka PTFE o wartości znamionowej 6 barów przy 100 stopniach może mieć grubość ścianki 2–4 mm w porównaniu do rurki stalowej pokrytej szkłem o całkowitej grubości ścianki (szkło + stal) wynoszącej 3–6 mm, ale większość tej grubości stanowi stal o wysokiej przewodności.
Porównanie całkowitego oporu cieplnego (wartość U)
Całkowity współczynnik przenikania ciepła (wartość U) ścianki rury określa się poprzez zsumowanie oporów szkła, stali i dwóch warstw granicznych płynu. Do tego porównania brane są pod uwagę jedynie opory ścian, przy założeniu identycznych warunków przepływu.
Przykładowe obliczenia dla typowego przypadku:
| Parametr | Stal szklana | Całość z PTFE |
|---|---|---|
| Grubość szkła (mm) | 1.0 | – |
| Przewodność szkła (W/m·K) | 1.1 | – |
| Grubość stali (mm) | 3.0 | – |
| Przewodność stali (W/m·K) | 48 | – |
| Grubość PTFE (mm) | – | 3.0 |
| Przewodność PTFE (W/m·K) | – | 0.25 |
Opór ściany (R_wall):
Stal szklana: R_glass=0.001 m / 1,1 W/m·K=0.00091 m²·K/W
R_stal=0.003 m / 48 W/m·K=0.0000625 m²·K/W
Całkowita R_wall=0.00097 m²·K/W
Cały PTFE: R_PTFE=0.003 m / 0,25 W/m·K=0.012 m²·K/W
Ściana rurki PTFE ma opór w przybliżeniu12 razy wyższyniż rura stalowa pokryta szkłem, mimo że PTFE ma nieco niższą przewodność na jednostkę grubości. Ściana stalowa pokryta szkłem jest znacznie bardziej przewodząca, ponieważ szkło izolacyjne jest bardzo cienkie, a stalowe podłoże przenosi większość grubości przy wysokiej przewodności.
W praktycznym wymienniku ciepła opory filmu cieczy po obu stronach są często dominującymi czynnikami. Jednakże przy tych samych prędkościach płynu rura stalowa pokryta szkłem zapewni ogólną wartość U o 20–40% wyższą niż rura wykonana w całości z PTFE o porównywalnym ciśnieniu znamionowym.
Implikacje w świecie rzeczywistym dla projektowania wymienników ciepła
Zalety stali powlekanej szkłem
Wyższa wydajność cieplna– Ściana kompozytowa umożliwia większy transfer ciepła na jednostkę powierzchni w porównaniu z PTFE, co pozwala na mniejszą powierzchnię wymiennika przy tym samym obciążeniu.
Wytrzymałość konstrukcyjna– Stalowy nośnik jest odporny na ciśnienie, obciążenia mechaniczne i cykle termiczne bez pełzania i deformacji. Rury stalowe pokryte szkłem mogą być stosowane przy wyższych ciśnieniach (do 10–16 barów) i temperaturach (do 200–250 stopni) niż PTFE.
Sztywność– Proste, sztywne rury są łatwiejsze do czyszczenia mechanicznego i można je układać w konwencjonalnych geometriach płaszczowo-rurowych.
Ograniczenia stali powlekanej szkłem
Kruchość– Warstwa szkła jest podatna na wstrząsy mechaniczne, termiczne i wibracje. Nagła zmiana temperatury o więcej niż 100 stopni może spowodować pęknięcie szkła. Nie można go stosować w wiązkach elastycznych rur ani tam, gdzie spodziewane są wibracje.
Ograniczenia produkcyjne– Rury pokryte szkłem są zazwyczaj proste, a nie zagięte w zwoje. Kołnierze i złączki muszą być specjalnie wyłożone szkłem, co zwiększa koszty.
Wymagania inspekcyjne– Każde pęknięcie lub odpryski w szkle narażają stal pod spodem na korozję, co szybko prowadzi do awarii. Wymagane jest regularne sprawdzanie iskry.
Zalety PTFE, które równoważą jego niższą przewodność
Pomimo gorszej przewodności cieplnej PTFE pozostaje preferowanym materiałem w wielu zastosowaniach, ponieważ:
Jest całkowicie elastyczny, co pozwala na wprowadzanie wiązek rurek przez małe otwory lub jest odporny na wibracje.
Jest odporny na szok termiczny i można go szybko nagrzewać i schładzać.
Nie jest narażony na powstawanie dziur i pęknięć; niewielka wada nie od razu odsłania korodujące podłoże.
Jest lżejszy i łatwiejszy w montażu w przypadku skomplikowanych geometrii.
Szkło jest cienkim, gorącym oknem; Stal to mocna, ciepła rama
Ogólna wydajność cieplna stalowej rury pokrytej szkłem nie zależy wyłącznie od niewielkiej przewodności szkła. Zamiast tego cienka warstwa szkła działa jak stosunkowo małe wąskie gardło termiczne, podczas gdy gruby stalowy podkład zapewnia wytrzymałość mechaniczną i działa jak skuteczny rozpraszacz ciepła. Kompozyt zachowuje się termicznie jak lekko zdegradowana rura metalowa, a nie jak rura z tworzywa sztucznego. Na przykład rura stalowa o średnicy 3 mm z wykładziną szklaną o grubości 1 mm ma opór cieplny tylko nieznacznie większy niż rura stalowa bez wykładziny o grubości 3 mm i znacznie niższy niż rurka PTFE o średnicy 3 mm.
Zależność temperaturowa przewodności
Zarówno szkło, jak i PTFE wykazują zmiany przewodności cieplnej wraz z temperaturą, ale względny ranking pozostaje niezmieniony:
Szkło (borokrzemianowe)– Przewodność wzrasta bardzo nieznacznie od około 1,0 W/m·K przy 20 stopniach do 1,2 W/m·K przy 200 stopniach.
Stal– Przewodność maleje nieznacznie wraz z temperaturą (np. z 48 W/m·K w temperaturze 20 stopni do 40 W/m·K w temperaturze 200 stopni).
PTFE– Przewodność pozostaje prawie stała i wynosi 0,22–0,25 W/m·K od 20 stopni do 150 stopni, a następnie nieznacznie wzrasta do 0,28 W/m·K w temperaturze 200 stopni.
Zatem w podwyższonych temperaturach rura stalowa pokryta szkłem zachowuje znaczną przewagę termiczną w porównaniu z PTFE.
Wskazówki dotyczące wyboru: kiedy wybrać, które
| Kryterium | Stal szklana | PTFE |
|---|---|---|
| Przewodność cieplna (ściana) | Wysoka (mała rezystancja) | Niska (wysoka rezystancja) |
| Maksymalna temperatura | 200–250 stopni | 100–120 stopni (ciągłe) |
| Maksymalne ciśnienie | 10–16 bar (przy grubej stali) | 2–6 bar (w zależności od grubości ścianki) |
| Odporność na szok termiczny | Słaba (większa lub równa 100 stopni/min może pękać) | Doskonały |
| Odporność na wstrząsy mechaniczne | Słabe (kruche) | Doskonały (elastyczny) |
| Odporność na korozję | Doskonały (jeśli szkło nienaruszone) | Doskonały |
| Produkcja w zwoje / elastyczne wiązki | NIE | Tak |
| Koszt na jednostkę powierzchni | Wysoka (produkcja specjalistyczna) | Umiarkowane do wysokiego |
Wniosek
Rura stalowa pokryta szkłem zapewnia lepszą termomodernizację w porównaniu z PTFE w określonych, sztywnych zastosowaniach w wysokich temperaturach, ale jej prawdziwa zaleta polega na unikalnym połączeniu odporności na korozję i wytrzymałości strukturalnej, a nie na jej surowej przewodności. Theprzewodność cieplna stali pokrytej szkłem w porównaniu z rurką PTFEporównanie pokazuje, że sama warstwa szkła jest słabym przewodnikiem (~1 W/m·K), ale jej cienkość (0,8–1,5 mm) w połączeniu z wysoce przewodzącym stalowym podłożem powoduje, że całkowita rezystancja ścianki jest w przybliżeniu jedną dziesiątą rurki wykonanej w całości z PTFE i o porównywalnym ciśnieniu znamionowym. Jednakże rurka wyłożona szkłem jest sztywna, krucha i nie można jej stosować w elastycznych wiązkach rurek. Jest to doskonały wybór dla specyficznej niszy: zastosowań wymagających wysokiej temperatury i wysokiej korozji, w których kontrolowane są wstrząsy mechaniczne i dopuszczalna jest pojedyncza, sztywna rura-często w wymienniku płaszczowo-rurowym. Najlepszym materiałem jest często mariaż przeciwieństw, a stal szklana to udane, choć niszowe, połączenie.
