Ống thép lót thủy tinh là một hỗn hợp được tạo ra từ hai thế giới: lớp vỏ thủy tinh mỏng, chống ăn mòn được liên kết hóa học với lớp vỏ thép chắc chắn và bền bỉ. Từ góc độ nhiệt, nó không phải là chất dẫn điện tốt như kim loại rắn, cũng không phải là chất cách điện hoàn toàn như polyme dày. Hiệu suất của nó là mức trung bình tinh tế của hai lớp. Hiểu biết vềthép lót thủy tinh và độ dẫn nhiệt của ống PTFEViệc so sánh là cần thiết để lựa chọn bộ trao đổi nhiệt hoặc ống truyền nhiệt phù hợp trong các quy trình có tính ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Độ dẫn nhiệt của từng thành phần
Lớp lót kính – Rào chắn kém nhưng mỏng
Lớp lót thủy tinh được sử dụng trên các ống thép thường là thủy tinh borosilicat hoặc thủy tinh không chứa kiềm tương tự được chế tạo để chịu hóa chất và chịu sốc nhiệt. Độ dẫn nhiệt của nó thấp: xấp xỉ1.0–1.2 W/m·Kở nhiệt độ hoạt động điển hình (20–200 độ). Giá trị này cao hơn khoảng bốn lần so với PTFE (0,25 W/m·K) nhưng vẫn thấp hơn một bậc so với thép.
Tuy nhiên lớp kính rất mỏng. Trong ống thép có lót thủy tinh tiêu chuẩn, lớp phủ thủy tinh được áp dụng ở độ dày khoảng0,8 đến 1,5 mm(thường khoảng 1 mm). Bởi vì điện trở nhiệt tỷ lệ thuận với độ dày chia cho độ dẫn điện (R=độ dày / k), một lớp mỏng của dây dẫn tầm thường vẫn có thể tạo ra điện trở tương đối nhỏ.
Mặt sau bằng thép – Dây dẫn chắc chắn
Ống thép bên dưới (thường là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp) có độ dẫn nhiệt xấp xỉ45–50 W/m·K– Cao hơn khoảng 40–50 lần so với thủy tinh và cao hơn gần 200 lần so với PTFE. Độ dày của thép thường là 2–5 mm, tùy thuộc vào mức áp suất. Vì thép là chất dẫn điện tốt và kính mỏng nên điện trở tổng thể của tường composite chủ yếu là lớp kính, nhưng thép bổ sung thêm rất ít điện trở.
Ống PTFE – Thành dày, độ dẫn điện thấp
Ngược lại, một ống PTFE rắn có độ dẫn nhiệt khoảng0.22–0.25 W/m·K. Để đạt được độ bền cơ học và định mức áp suất tương tự như ống thép lót thủy tinh, thành ống PTFE phải dày hơn đáng kể. Ví dụ: ống PTFE được định mức 6 bar ở 100 độ có thể có độ dày thành từ 2–4 mm, so với ống thép lót thủy tinh có tổng độ dày thành (thủy tinh + thép) là 3–6 mm nhưng phần lớn độ dày đó là thép dẫn điện cao.
So sánh điện trở nhiệt tổng thể (giá trị U)
Hệ số truyền nhiệt tổng thể (giá trị U) của thành ống được xác định bằng cách tính tổng điện trở của kính, thép và hai lớp ranh giới chất lỏng. Để so sánh này, chỉ xem xét điện trở của tường, giả sử các điều kiện chất lỏng giống hệt nhau.
Tính toán ví dụ cho trường hợp điển hình:
| tham số | Thép lót kính | Tất cả-PTFE |
|---|---|---|
| Độ dày kính (mm) | 1.0 | – |
| Độ dẫn thủy tinh (W/m·K) | 1.1 | – |
| Độ dày thép (mm) | 3.0 | – |
| Độ dẫn điện của thép (W/m·K) | 48 | – |
| Độ dày PTFE (mm) | – | 3.0 |
| Độ dẫn điện của PTFE (W/m·K) | – | 0.25 |
Điện trở của tường (R_wall):
Thép lót kính: R_glass=0.001 m / 1,1 W/m·K=0.00091 m²·K/W
Thép R=0.003 m / 48 W/m·K=0.0000625 m²·K/W
Tổng R_wall=0.00097 m2·K/W
Toàn ‑PTFE: R_PTFE=0.003 m / 0,25 W/m·K=0.012 m²·K/W
Thành ống PTFE có điện trở xấp xỉcao hơn 12 lầnso với ống thép lót thủy tinh, mặc dù PTFE có độ dẫn điện trên một đơn vị độ dày thấp hơn một chút. Tường thép lót kính có khả năng dẫn điện tốt hơn nhiều vì kính cách nhiệt rất mỏng và lớp nền bằng thép chịu phần lớn độ dày có độ dẫn điện cao.
Trong một bộ trao đổi nhiệt thực tế, điện trở màng chất lỏng ở cả hai bên thường là yếu tố chi phối. Tuy nhiên, đối với cùng vận tốc chất lỏng, ống thép lót thủy tinh sẽ cung cấp giá trị U tổng thể cao hơn 20–40% so với ống hoàn toàn bằng PTFE có định mức áp suất tương đương.
Ý nghĩa thực tế đối với thiết kế bộ trao đổi nhiệt
Ưu điểm của thép lót kính
Hiệu suất nhiệt cao hơn– Tường composite cho phép truyền nhiệt nhiều hơn trên một đơn vị diện tích so với PTFE, cho phép chiếm diện tích bộ trao đổi nhỏ hơn cho cùng một nhiệm vụ.
Sức mạnh kết cấu– Lớp nền bằng thép chịu được áp lực, tải trọng cơ học và chu trình nhiệt mà không bị leo hoặc biến dạng. Ống thép lót thủy tinh có thể được sử dụng ở áp suất cao hơn (lên tới 10–16 bar) và nhiệt độ (lên tới 200–250 độ) so với PTFE.
độ cứng– Ống thẳng, cứng dễ làm sạch cơ học hơn và có thể được bố trí theo hình dạng vỏ và ống thông thường.
Hạn chế của thép lót kính
độ giòn– Lớp kính dễ bị sốc cơ học, sốc nhiệt, rung lắc. Nhiệt độ thay đổi đột ngột hơn 100 độ có thể làm nứt kính. Nó không thể được sử dụng trong các bó ống linh hoạt hoặc nơi có khả năng rung động.
Hạn chế chế tạo– Ống lót thủy tinh thường thẳng, không uốn thành cuộn. Mặt bích và phụ kiện phải được lót bằng kính đặc biệt, làm tăng chi phí.
Yêu cầu kiểm tra– Bất kỳ vết nứt hoặc vết nứt nào trên kính đều khiến thép bên dưới bị ăn mòn, nhanh chóng dẫn đến hư hỏng. Kiểm tra tia lửa thường xuyên là cần thiết.
Ưu điểm của PTFE giúp cân bằng độ dẫn thấp hơn của nó
Mặc dù độ dẫn nhiệt kém hơn, PTFE vẫn là vật liệu được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng vì:
Nó hoàn toàn linh hoạt, cho phép các bó ống có thể được đưa qua các lỗ nhỏ hoặc có khả năng chống rung.
Nó có khả năng chống sốc nhiệt và có thể được làm nóng và làm mát nhanh chóng.
Nó không bị lỗ kim hoặc sự lan truyền vết nứt; một khiếm khuyết nhỏ không làm lộ ra ngay chất nền bị ăn mòn.
Nó nhẹ hơn và dễ cài đặt hơn trong các hình dạng phức tạp.
Kính là một cửa sổ mỏng và nóng; Thép là khung chắc chắn, ấm áp
Hiệu suất nhiệt tổng thể của ống thép lót thủy tinh không chỉ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt khiêm tốn của thủy tinh. Thay vào đó, lớp kính mỏng hoạt động như một nút cổ chai nhiệt tương đối nhỏ, trong khi lớp nền bằng thép dày mang lại độ bền cơ học và hoạt động như một bộ tản nhiệt hiệu quả. Hỗn hợp này hoạt động về mặt nhiệt giống như một ống kim loại bị phân hủy nhẹ, không phải như một ống nhựa. Ví dụ, ống thép 3 mm có lớp lót thủy tinh 1 mm có khả năng chịu nhiệt chỉ cao hơn một chút so với ống thép không lót 3 mm và thấp hơn nhiều so với ống PTFE 3 mm.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn điện
Cả thủy tinh và PTFE đều thể hiện sự thay đổi độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ, nhưng thứ hạng tương đối vẫn không thay đổi:
Thủy tinh (borosilicate)– Độ dẫn điện tăng rất nhẹ từ khoảng 1,0 W/m·K ở 20 độ đến 1,2 W/m·K ở 200 độ .
Thép– Độ dẫn điện giảm vừa phải theo nhiệt độ (ví dụ từ 48 W/m·K ở 20 độ đến 40 W/m·K ở 200 độ ).
PTFE– Độ dẫn điện gần như không đổi ở mức 0,22–0,25 W/m·K từ 20 độ đến 150 độ, sau đó tăng nhẹ lên 0,28 W/m·K ở 200 độ.
Do đó, ở nhiệt độ cao, ống thép lót thủy tinh duy trì lợi thế về nhiệt đáng kể so với PTFE.
Hướng dẫn lựa chọn: Khi nào nên chọn cái nào
| Tiêu chí | Thép lót kính | PTFE |
|---|---|---|
| Độ dẫn nhiệt (tường) | Cao (điện trở thấp) | Thấp (điện trở cao) |
| Nhiệt độ tối đa | 200–250 độ | 100–120 độ (liên tục) |
| Áp suất tối đa | 10–16 bar (với thép dày) | 2–6 bar (tùy thuộc vào độ dày của tường) |
| Chống sốc nhiệt | Kém (Lớn hơn hoặc bằng 100 độ/phút có thể bị nứt) | Xuất sắc |
| Chống sốc cơ học | Xấu (giòn) | Tuyệt vời (linh hoạt) |
| Chống ăn mòn | Tuyệt vời (nếu kính còn nguyên vẹn) | Xuất sắc |
| Chế tạo thành cuộn/bó linh hoạt | KHÔNG | Đúng |
| Chi phí trên một đơn vị diện tích | Cao (sản xuất chuyên dụng) | Trung bình đến cao |
Phần kết luận
Ống thép lót thủy tinh mang đến sự nâng cấp về nhiệt so với PTFE trong các ứng dụng cụ thể, cứng nhắc, nhiệt độ cao, nhưng lợi thế thực sự của nó nằm ở sự kết hợp độc đáo giữa khả năng chống ăn mòn và độ bền kết cấu chứ không phải độ dẫn thô của nó. cácthép lót thủy tinh và độ dẫn nhiệt của ống PTFEso sánh cho thấy bản thân lớp thủy tinh là chất dẫn điện kém (~1 W/m·K), nhưng độ mỏng của nó (0,8–1,5 mm) kết hợp với lớp nền bằng thép dẫn điện cao dẫn đến điện trở thành tổng thể bằng khoảng 1/10 điện trở của ống hoàn toàn bằng nhựa PTFE có định mức áp suất tương đương. Tuy nhiên, ống lót thủy tinh cứng, giòn và không thể sử dụng trong bó ống mềm. Đây là lựa chọn cao cấp dành cho một lĩnh vực cụ thể: các ứng dụng có nhiệt độ cao, ăn mòn cao trong đó sốc cơ học được kiểm soát và một ống cứng, đơn có thể được chấp nhận-thường trong bộ trao đổi dạng vỏ và ống. Vật liệu tốt nhất thường là sự kết hợp của những mặt đối lập và thép lót kính là sự kết hợp thành công, nếu thích hợp.
