Челична цев обложена стаклом је композит рођен из два света: танког стакленог омотача отпорног на корозију хемијски спојеног за јак, чврст челични омотач. Из термичке перспективе, он није ни сјајан проводник попут чврстог метала, нити потпуни изолатор попут дебелог полимера. Његове перформансе су деликатан просек његова два слоја. РазумевањеЧелик обложен стаклом у односу на топлотну проводљивост ПТФЕ цевипоређење је од суштинског значаја за избор правог измењивача топлоте или цеви за пренос у корозивним процесима на високим температурама.
Топлотна проводљивост сваке компоненте
Стаклена облога - лоша, али танка баријера
Стаклена облога која се користи на челичним цевима је обично боросиликатно или слично стакло без алкалија формулисано за хемијску отпорност и толеранцију на топлотни удар. Његова топлотна проводљивост је ниска: приближно1.0–1.2 W/m·Kна типичним радним температурама (20-200 степени). Ова вредност је отприлике четири пута већа од вредности ПТФЕ (0,25 В/м·К), али је и даље за ред величине нижа од вредности челика.
Међутим, слој стакла је веома танак. У стандардној челичној цеви обложеној стаклом, стаклени премаз се наноси у дебљини од0,8 до 1,5 мм(обично око 1 мм). Пошто је топлотни отпор пропорционалан дебљини подељеној са проводљивошћу (Р=дебљина / к), танак слој осредњег проводника и даље може да представља релативно мали отпор.
Челична подлога – јак проводник
Основна челична цев (обично угљенични челик или нисколегирани челик) има топлотну проводљивост од приближно45–50 W/m·K– око 40-50 пута већи од стакла и скоро 200 пута већи од ПТФЕ. Дебљина челика је типично 2-5 мм, у зависности од степена притиска. Пошто је челик добар проводник и стакло је танко, укупним отпором композитног зида доминира слој стакла, али челик додаје врло мало додатног отпора.
ПТФЕ цев – Дебели зид ниске проводљивости
Чврста ПТФЕ цев, насупрот томе, има топлотну проводљивост отприлике0.22–0.25 W/m·K. Да би се постигла иста механичка чврстоћа и оцена притиска као код челичне цеви обложене стаклом, зид ПТФЕ цеви мора бити знатно дебљи. На пример, ПТФЕ цев од 6 бара на 100 степени може имати дебљину зида од 2–4 мм, у поређењу са челичном цеви обложеном стаклом са укупном дебљином зида (стакло + челик) од 3–6 мм, али већина те дебљине је високо проводљиви челик.
Поређење укупне топлотне отпорности (У‑вредност)
Укупан коефицијент преноса топлоте (У-вредност) зида цеви се одређује сумирањем отпора стакла, челика и два гранична слоја флуида. За ово поређење узимају се у обзир само отпори зида, под претпоставком идентичних услова флуида.
Пример израчунавања за типичан случај:
| Параметар | Челик обложен стаклом | Потпуно ПТФЕ |
|---|---|---|
| Дебљина стакла (мм) | 1.0 | – |
| Проводљивост стакла (В/м·К) | 1.1 | – |
| Дебљина челика (мм) | 3.0 | – |
| Проводљивост челика (В/м·К) | 48 | – |
| Дебљина ПТФЕ (мм) | – | 3.0 |
| ПТФЕ проводљивост (В/м·К) | – | 0.25 |
Отпор зида (Р_зид):
Челик обложен стаклом: Р_стакло=0.001 м / 1,1 В/м·К=0.00091 м²·К/В
Р_челик=0.003 м / 48 В/м·К=0.0000625 м²·К/В
Укупно Р_зид=0.00097 м²·К/В
Потпуно ПТФЕ: Р_ПТФЕ=0.003 м / 0,25 В/м·К=0.012 м²·К/В
Зид ПТФЕ цеви има отпор приближно12 пута вишенего код челичне цеви обложене стаклом, упркос томе што ПТФЕ има нешто нижу проводљивост по јединици дебљине. Челични зид обложен стаклом је далеко проводљивији јер је изолационо стакло веома танко и челична подлога носи већину дебљине са високом проводљивошћу.
У практичном измењивачу топлоте, отпори филма флуида са обе стране су често доминантни фактори. Међутим, за исте брзине флуида, челична цев обложена стаклом ће обезбедити 20–40% већу укупну У-вредност од потпуно ПТФЕ цеви упоредивог степена притиска.
Импликације у стварном свету за дизајн измењивача топлоте
Предности челика обложеног стаклом
Већа термичка ефикасност– Композитни зид омогућава већи пренос топлоте по јединици површине у поређењу са ПТФЕ, омогућавајући мањи отисак измењивача за исти рад.
Снага конструкције– Челична подлога је отпорна на притисак, механичка оптерећења и термичке циклусе без пузања или деформисања. Челичне цеви обложене стаклом могу се користити на вишим притисцима (до 10–16 бара) и температурама (до 200–250 степени) од ПТФЕ.
Ригидност– Праве, чврсте цеви се лакше чисте механички и могу се распоредити у конвенционалне геометрије шкољке и цеви.
Ограничења челика обложеног стаклом
Крхкост– Стаклени слој је подложан механичким ударима, термичким ударима и вибрацијама. Изненадна промена температуре за више од 100 степени може да напукне стакло. Не може се користити у флексибилним сноповима цеви или тамо где се очекују вибрације.
Ограничења производње– Цеви обложене стаклом су обично равне, а не савијене у намотаје. Прирубнице и фитинзи морају бити посебно стаклени, што повећава трошкове.
Захтеви за инспекцију– Свака пукотина или ломљење стакла излаже челик испод корозије, што брзо доводи до квара. Потребно је редовно тестирање варница.
Предности ПТФЕ које уравнотежују његову нижу проводљивост
Упркос лошијој топлотној проводљивости, ПТФЕ остаје пожељан материјал у многим применама јер:
Потпуно је флексибилан, омогућавајући снопове цеви који се могу убацити кроз мале отворе или који су отпорни на вибрације.
Отпоран је на топлотни шок и може се брзо загрејати и охладити.
Не трпи рупице или ширење пукотина; мали недостатак не открива одмах кородирану подлогу.
Лакши је и лакши за уградњу у сложене геометрије.
Стакло је танак, врућ прозор; Челик је снажан, топао оквир
Укупне топлотне перформансе челичне цеви обложене стаклом нису вођене само скромном проводљивошћу стакла. Уместо тога, танки стаклени слој делује као релативно мало топлотно уско грло, док дебела челична подлога обезбеђује механичку чврстоћу и делује као ефикасан распршивач топлоте. Композит се термички понаша као благо деградирана метална цев, а не као пластична цев. На пример, челична цев од 3 мм са стакленом облогом од 1 мм има термичку отпорност само нешто већу од челичне цеви од 3 мм без облоге и много мању од ПТФЕ цеви од 3 мм.
Температурна зависност проводљивости
И стакло и ПТФЕ показују промене у топлотној проводљивости са температуром, али релативни ранг остаје непромењен:
стакло (боросиликат)– Проводљивост се веома благо повећава са око 1,0 В/м·К на 20 степени до 1,2 В/м·К на 200 степени.
Челик– Проводљивост благо опада са температуром (нпр. од 48 В/м·К на 20 степени до 40 В/м·К на 200 степени).
ПТФЕ– Проводљивост остаје скоро константна на 0,22–0,25 В/м·К од 20 степени до 150 степени, а затим лагано расте на 0,28 В/м·К на 200 степени.
Стога, на повишеним температурама, челична цев обложена стаклом одржава значајну топлотну предност у односу на ПТФЕ.
Смернице за избор: Када изабрати који
| Критеријум | Челик обложен стаклом | ПТФЕ |
|---|---|---|
| Топлотна проводљивост (зид) | Висок (низак отпор) | Низак (висок отпор) |
| Максимална температура | 200–250 степени | 100–120 степени (континуирано) |
| Максимални притисак | 10–16 бара (са дебелим челиком) | 2-6 бара (зависи од дебљине зида) |
| Отпорност на топлотни удар | Лоше (већи од или једнак 100 степени/мин може да пукне) | Одлично |
| Отпорност на механички удар | лоше (крхко) | Одлично (флексибилно) |
| Отпорност на корозију | Одлично (ако је стакло нетакнуто) | Одлично |
| Израда у калемове / флексибилне снопове | бр | Да |
| Цена по јединици површине | Висока (специјализована производња) | Умерено до високо |
Закључак
Челична цев обложена стаклом нуди топлотну надоградњу у односу на ПТФЕ у специфичним, крутим, високотемпературним апликацијама, али њена права предност лежи у јединственој комбинацији отпорности на корозију и структурне чврстоће, а не у сировој проводљивости. ТхеЧелик обложен стаклом у односу на топлотну проводљивост ПТФЕ цевипоређење показује да је сам слој стакла лош проводник (~1 В/м·К), али његова танкоћа (0,8–1,5 мм) у комбинацији са високо проводљивом челичном подлогом резултира укупним отпором зида који је отприлике једна десетина отпорности потпуно ПТФЕ цеви упоредиве вредности притиска. Међутим, стаклена цев је крута, ломљива и не може се користити у флексибилним сноповима цеви. То је врхунски избор за специфичну нишу: примене на високим температурама и са високом корозијом где се контролишу механички удари и једна, чврста цев је прихватљива-често у измењивачу шкољке и цеви. Најбољи материјал је често брак супротности, а челик обложен стаклом је успешна, иако ниша, синдикат.
