Насколько теплопроводность стальной трубы с футеровкой из фторполимера- сравнима с теплопроводностью твердого ПТФЭ?

Твердые трубки из ПТФЭ химически стойкие, но механически слабые. Для обеспечения приемлемого номинального давления необходима толстая стенка. Такая толщина означает большое термическое сопротивление. Хороший вариант – стальная трубка с небольшим слоем химически стойкого фторполимера внутри. Эта композитная конструкция обладает прочностью металла и коррозионной стойкостью пластика. С термической точки зрения тонкая пластиковая облицовка представляет собой значительно меньший барьер, чем толстая стенка твердой трубки из ПТФЭ, и общие характеристики теплопередачи облицованной трубки могут быть на удивление лучше. В этой статье мы рассматриваем сравнение теплопроводности стальной трубы с футеровкой из фторполимера и твердого ПТФЭ в реальных приложениях теплопередачи.

Что такое термическое сопротивление в трубчатых системах
Общая концепция термического сопротивления
Общее сопротивление прохождению тепла через стенку трубки представляет собой сумму сопротивлений различных слоев. Для однослойной трубки (твердый ПТФЭ) сопротивление зависит от толщины стенки и обратно пропорционально теплопроводности материала. Для композитной трубки (сталь и лейнер) добавляется сопротивление стальной оболочки и футеровки из фторполимера.

Значения теплопроводности материалов
Теплопроводность твердого ПТФЭ составляет около 0,25 Вт/(м·К) при комнатной температуре, что низко-по сравнению с теплоизоляцией.

Углеродистая сталь имеет теплопроводность около 45-50 Вт/(мК), что примерно в 200 раз выше, чем у ПТФЭ.

Теплопроводность футеровок из фторполимеров (ПТФЭ, ПФА, ФЭП) также невысока – около 0,20-0,25 Вт/(м·К).

Основное отличие заключается не в свойственной пластику проводимости, а в толщине, которая необходима в каждой конструкции.

Толстостенная-труба из цельного ПТФЭ в сравнении со стальной трубкой с футеровкой
Стальная трубка с футеровкой из фторполимера-, тонкий пластик, проводящий металл
Для стальной трубы с футеровкой стальная оболочка является отличным проводником, и номинальное конструктивное давление полностью воспринимается стальной оболочкой. Фторполимер, часто ПТФЭ или ПФА, должен быть только химически стойким, поэтому его наносят тонким слоем, обычно толщиной от 0,5 до 1,0 мм. Толщина стальной стенки рассчитана на выдерживание давления (обычно 2–5 мм), хотя высокая проводимость стали обеспечивает относительно небольшое термическое сопротивление.

Для футерованной трубы с футеровкой из ПТФЭ толщиной 1,0 мм и стальной стенкой толщиной 3,0 мм общее термическое сопротивление составляет:

Сопротивление футеровки: 0.0010.25=0.004 м2К/Вт 0,250,001​=0.004 м2К/Вт

Сопротивление стали: 0,00345≈0,00007 м2К/Вт450,003​≈0,00007 м2К/Вт (незначительно)

Общее сопротивление: ~0,00407 м 2 К/Вт

Это примерно треть сопротивления трубки из твердого ПТФЭ толщиной 3 мм (0,012 м²К/Вт). На практике теплопроводность стальной трубы с футеровкой из фторполимера в отличие от теплопроводности из твердого ПТФЭ показывает, что труба с футеровкой обеспечивает гораздо лучшие общие характеристики теплопередачи.

Это умный композит: тонкая оболочка из термостойкого пластика поверх прочного проводящего стального каркаса. Трубка с покрытием превосходит толстую, прочную пластиковую трубку в тепловой гонке.

Практическое значение для проектирования теплообменников
Повышенная U-ценность и более компактное оборудование.
Общее термическое сопротивление трубки с футеровкой обычно на 50-70 % ниже, чем у трубки из цельного ПТФЭ с таким же номинальным давлением. Поэтому теплообменники, изготовленные из футерованных труб, могут иметь более высокий общий коэффициент теплопередачи. это включено:

Уменьшенная площадь поверхности теплопередачи для аналогичной задачи

Более компактные конструкции теплообменников

Более короткое время пребывания жидкости, что может быть полезно для чувствительных к температуре технологических потоков.

Типичное использование
Этот метод широко применяется для трубопроводов большого диаметра (2 дюйма и более) и емкостей, таких как футерованные реакторы, резервуары для хранения и кожухо-и-трубчатые теплообменники в сильно агрессивных средах, таких как соляная кислота, горячая серная кислота или агрессивные хлорсодержащие растворители.

Важные технические соображения
Нам нужны идеальные, пустые-бесплатные облигации
Фторполимерный вкладыш должен идеально и полностью -соединяться со стальной подложкой без пустот. Любой разрыв или расслоение обеспечивает теплопроводность воздушного слоя всего на ~0,025 Вт/(м·К)-в десять раз ниже, чем у ПТФЭ. Воздушная прослойка – очень плохой теплоизолятор. Это также позволяет коррозионно-активной технологической жидкости проникать под футеровку, вызывая под-коррозию трубопровода. Скрытая коррозия может быстро пробить стальную оболочку изнутри без каких-либо внешних признаков.

Риски отделения вкладыша или появления точечных отверстий
Основным-недостатком трубы с футеровкой по сравнению с трубкой из твердого ПТФЭ является вероятность механического повреждения футеровки. Если футеровка отслаивается (отходит от стали) или образуется точечное отверстие, коррозионная жидкость вступает в прямой контакт со сталью. Даже точечное отверстие может вызвать локальную коррозию и возможный выход из строя трубки. Поэтому футерованные трубы требуют строгого контроля качества при производстве- — обычно путем искровых испытаний или обнаружения высоковольтных выходов – и периодических проверок при эксплуатации.

Производственные процессы
Для фторполимерных подкладок применяется множество методов:

Свободная подкладка (нескрепленная-) с натягом

Клеевое соединение или спекание (для ПТФЭ).

Литье под давлением или ротолайнирование (в случае PFA и FEP)

Для максимальной теплопередачи предпочтительны клеевые футеровки с полным контактом поверхности.

Вывод: сочетание двух материалов для улучшения тепловых характеристик
Стальная трубка с футеровкой из фторполимера представляет собой разумный тепловой компромисс, использующий структурную прочность металла для создания гораздо более тонкого и, следовательно, более термически эффективного, коррозионно--стойкого покрытия. Пластик — плохой проводник, но резкое уменьшение необходимой толщины — с нескольких миллиметров в твердом ПТФЭ до менее одного миллиметра в трубке с футеровкой — более чем компенсирует это. Полученная конструкция представляет собой композитную структуру, которая имеет более высокие общие характеристики теплопередачи, чем толстостенная сплошная трубка из ПТФЭ, сохраняя при этом превосходную химическую стойкость.

Часто оптимальным вариантом теплопередачи является брак двух разнородных материалов. Для стальных труб с футеровкой из фторполимера- сочетание прочности и проводимости стали с химической инертностью ПТФЭ позволяет получить компонент, который превосходит любой материал по отдельности. Компромисс--потенциального риска отслоения или появления точечных дефектов- решается посредством строгого контроля качества производства и регулярного контроля. Благодаря этим мерам защиты футерованная труба представляет собой элегантное и термически эффективное решение для коррозионного нагрева или охлаждения.