ค่าการนำความร้อนของท่อเหล็กบุแก้ว-เปรียบเทียบกับ PTFE เป็นอย่างไร

ท่อเหล็กบุกระจกเป็นส่วนประกอบที่เกิดจากสองโลก: เปลือกแก้วบางที่ป้องกันการกัดกร่อนซึ่งเชื่อมติดกันทางเคมีกับเปลือกเหล็กที่แข็งแกร่งและแข็งแกร่ง จากมุมมองด้านความร้อน มันไม่ใช่ตัวนำที่ดีเหมือนโลหะแข็ง หรือเป็นฉนวนที่สมบูรณ์เหมือนโพลีเมอร์หนา ประสิทธิภาพการทำงานของมันเป็นค่าเฉลี่ยที่ละเอียดอ่อนของสองชั้น ทำความเข้าใจกับเหล็กเคลือบแก้วเทียบกับการนำความร้อนของท่อ PTFEการเปรียบเทียบถือเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหรือท่อถ่ายเทที่เหมาะสมในกระบวนการที่มีการกัดกร่อนและมีอุณหภูมิสูง

ค่าการนำความร้อนของแต่ละส่วนประกอบ

กระจกซับ – สิ่งกีดขวางที่แย่แต่บาง

กระจกบุกระจกที่ใช้กับท่อเหล็กโดยทั่วไปจะเป็นแก้วบอโรซิลิเกตหรือแก้วปลอดอัลคาไลที่คล้ายกัน ซึ่งจัดทำขึ้นเพื่อทนต่อสารเคมีและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ค่าการนำความร้อนต่ำ: ประมาณ1.0–1.2 W/m·Kที่อุณหภูมิการทำงานปกติ (20–200 องศา ) ค่านี้สูงกว่าค่า PTFE (0.25 W/m·K) ประมาณสี่เท่า แต่ยังคงมีลำดับความสำคัญต่ำกว่าค่าของเหล็ก

อย่างไรก็ตามชั้นกระจกมีความบางมาก ในท่อเหล็กบุกระจกแบบมาตรฐาน จะมีการเคลือบแก้วที่ความหนา0.8 ถึง 1.5 มม(โดยทั่วไปประมาณ 1 มม.) เนื่องจากความต้านทานความร้อนเป็นสัดส่วนกับความหนาหารด้วยค่าการนำไฟฟ้า (R=ความหนา / k) ชั้นบางๆ ของตัวนำขนาดปานกลางจึงยังคงมีความต้านทานค่อนข้างน้อย

แผ่นรองเหล็ก – ตัวนำที่แข็งแกร่ง

ท่อเหล็กที่อยู่ด้านล่าง (โดยปกติจะเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนหรือเหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำ) มีค่าการนำความร้อนประมาณ45–50 W/m·K– สูงกว่าแก้วประมาณ 40–50 เท่า และสูงกว่า PTFE เกือบ 200 เท่า โดยทั่วไปความหนาของเหล็กจะอยู่ที่ 2–5 มม. ขึ้นอยู่กับระดับแรงดัน เนื่องจากเหล็กเป็นตัวนำที่ดีและกระจกมีความบาง ความต้านทานโดยรวมของผนังคอมโพสิตจึงถูกครอบงำด้วยชั้นแก้ว แต่เหล็กจะเพิ่มความต้านทานเพิ่มเติมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ท่อ PTFE – ผนังหนาการนำไฟฟ้าต่ำ

ในทางตรงกันข้าม ท่อ PTFE แข็งมีค่าการนำความร้อนประมาณ0.22–0.25 W/m·K. เพื่อให้ได้ความแข็งแรงทางกลและระดับแรงดันเช่นเดียวกับท่อเหล็กที่บุด้วยกระจก ผนังท่อ PTFE จะต้องมีความหนามากขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ท่อ PTFE ที่พิกัด 6 บาร์ที่ 100 องศา อาจมีความหนาของผนัง 2–4 มม. เมื่อเปรียบเทียบกับท่อเหล็กบุกระจกที่มีความหนาผนังรวม (แก้ว + เหล็ก) 3–6 มม. แต่ความหนาส่วนใหญ่เป็นเหล็กที่มีความนำไฟฟ้าสูง

การเปรียบเทียบความต้านทานความร้อนโดยรวม (ค่า U-Value)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ค่า U) ของผนังท่อถูกกำหนดโดยการรวมความต้านทานของกระจก เหล็ก และชั้นขอบเขตของของไหลทั้งสองชั้น สำหรับการเปรียบเทียบนี้จะพิจารณาเฉพาะความต้านทานของผนังเท่านั้น โดยถือว่าสภาพของของไหลเหมือนกัน

ตัวอย่างการคำนวณสำหรับกรณีทั่วไป:

ความต้านทานของผนัง (R_wall):

เหล็กเคลือบกระจก: R_glass=0.001 m / 1.1 W/m·K=0.00091 m²·K/W
R_steel=0.003 ม. / 48 วัตต์/ม·K=0.0000625 ตรม.·K/W
ผนัง R_wall ทั้งหมด=0.00097 ตรม.·K/W

PTFE ทั้งหมด: R_PTFE=0.003 ม. / 0.25 W/m·K=0.012 m²·K/W

ผนังท่อ PTFE มีความต้านทานประมาณสูงกว่าถึง 12 เท่ากว่าท่อเหล็กบุกระจก แม้ว่า PTFE จะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าเล็กน้อยต่อความหนาของหน่วยก็ตาม ผนังเหล็กที่บุกระจกสามารถนำไฟฟ้าได้มากกว่ามาก เนื่องจากกระจกฉนวนมีความบางมากและแผ่นรองเหล็กมีความหนาส่วนใหญ่โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูง

ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้งานได้จริง ความต้านทานของฟิล์มของไหลทั้งสองด้านมักเป็นปัจจัยหลัก อย่างไรก็ตาม สำหรับความเร็วของของไหลที่เท่ากัน ท่อเหล็กบุกระจกจะให้ค่า U โดยรวมที่สูงกว่า 20–40% เมื่อเทียบกับท่อ PTFE ทั้งหมดที่มีระดับแรงดันที่เทียบเคียงได้

ผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริงสำหรับการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ข้อดีของเหล็กบุกระจก

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่สูงขึ้น– ผนังคอมโพสิตช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับ PTFE ทำให้ใช้พื้นที่ตัวแลกเปลี่ยนน้อยลงสำหรับงานเดียวกัน

ความแข็งแรงของโครงสร้าง– แผ่นรองหลังทำจากเหล็กต้านทานแรงดัน ภาระทางกล และวงจรความร้อนโดยไม่คืบคลานหรือเสียรูป ท่อเหล็กบุกระจกสามารถใช้ได้ที่ความดันสูงกว่า (สูงถึง 10–16 บาร์) และอุณหภูมิ (สูงถึง 200–250 องศา) กว่า PTFE

ความแข็งแกร่ง– ท่อตรงและแข็งจะทำความสะอาดกลไกได้ง่ายกว่า และสามารถจัดเรียงในรูปทรงเปลือกและท่อแบบธรรมดาได้

ข้อจำกัดของเหล็กบุกระจก

ความเปราะบาง– ชั้นกระจกไวต่อแรงกระแทกทางกล การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกะทันหันเกิน 100 องศาอาจทำให้กระจกแตกได้ ไม่สามารถใช้ในชุดท่ออ่อนหรือในบริเวณที่คาดว่าจะเกิดการสั่นสะเทือน

ข้อจำกัดในการผลิต– โดยทั่วไปแล้วท่อที่มีเส้นแก้วจะมีลักษณะตรงและไม่โค้งงอเป็นขด หน้าแปลนและข้อต่อต่างๆ จะต้องบุด้วยกระจกเป็นพิเศษ ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น

ข้อกำหนดในการตรวจสอบ– รอยแตกหรือการหลุดลอยใดๆ ก็ตามในกระจกจะทำให้เหล็กที่อยู่ด้านล่างเกิดการกัดกร่อน ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายได้อย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีการทดสอบประกายไฟเป็นประจำ

ข้อดีของ PTFE ที่ช่วยปรับสมดุลค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

แม้ว่าค่าการนำความร้อนจะต่ำกว่า แต่ PTFE ยังคงเป็นวัสดุที่ต้องการในการใช้งานหลายประเภท เนื่องจาก:

มีความยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ ช่วยให้มัดท่อสามารถสอดผ่านช่องเปิดขนาดเล็กหรือต้านทานการสั่นสะเทือนได้

มีภูมิคุ้มกันต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน และสามารถให้ความร้อนและความเย็นได้อย่างรวดเร็ว

ไม่ต้องทนทุกข์ทรมานจากการแพร่กระจายของรูเข็มหรือรอยแตก ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ จะไม่เปิดเผยพื้นผิวที่สึกกร่อนได้ในทันที

เบากว่าและติดตั้งง่ายกว่าในรูปทรงที่ซับซ้อน

กระจกเป็นหน้าต่างที่บางและร้อน เหล็กคือโครงที่แข็งแกร่งและอบอุ่น

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนโดยรวมของท่อเหล็กบุกระจกไม่ได้ขับเคลื่อนโดยค่าการนำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยของแก้วเพียงอย่างเดียว แต่ชั้นกระจกบาง ๆ ทำหน้าที่เป็นคอขวดด้านความร้อนที่ค่อนข้างเล็ก ในขณะที่แผ่นรองเหล็กหนาให้ความแข็งแรงเชิงกลและทำหน้าที่เป็นตัวกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ คอมโพสิตจะมีพฤติกรรมทางความร้อนเหมือนกับท่อโลหะที่เสื่อมสภาพเล็กน้อย ไม่ใช่ท่อพลาสติก ตัวอย่างเช่น ท่อเหล็ก 3 มม. พร้อมบุกระจก 1 มม. มีความต้านทานความร้อนสูงกว่าท่อเหล็กไม่มีบุ 3 มม. เพียงเล็กน้อย และต่ำกว่าท่อ PTFE 3 มม. มาก

การพึ่งพาอุณหภูมิของการนำไฟฟ้า

ทั้งแก้วและ PTFE มีการเปลี่ยนแปลงการนำความร้อนตามอุณหภูมิ แต่อันดับสัมพัทธ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง:

แก้ว (บอโรซิลิเกต)– ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเล็กน้อยมากจากประมาณ 1.0 W/m·K ที่ 20 องศา เป็น 1.2 W/m·K ที่ 200 องศา

เหล็ก– สภาพนำไฟฟ้าลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิ (เช่น จาก 48 W/m·K ที่ 20 องศา เป็น 40 W/m·K ที่ 200 องศา )

ไฟเบอร์– สภาพนำไฟฟ้ายังคงเกือบคงที่ที่ 0.22–0.25 W/m·K จาก 20 องศาเป็น 150 องศา จากนั้นเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 0.28 W/m·K ที่ 200 องศา

ดังนั้นที่อุณหภูมิสูง ท่อเหล็กบุกระจกจึงรักษาความได้เปรียบทางความร้อนไว้เหนือ PTFE อย่างมีนัยสำคัญ

คำแนะนำในการเลือก: เมื่อใดควรเลือกอันไหน

บทสรุป

ท่อเหล็กบุกระจกให้การอัพเกรดทางความร้อนเหนือ PTFE ในการใช้งานเฉพาะ แข็งเกร็ง และมีอุณหภูมิสูง แต่ข้อได้เปรียบที่แท้จริงอยู่ที่การผสมผสานระหว่างความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงของโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ ไม่ใช่ค่าการนำไฟฟ้าดิบ ที่เหล็กเคลือบแก้วเทียบกับการนำความร้อนของท่อ PTFEการเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าชั้นกระจกเองมีตัวนำที่ไม่ดี (~1 W/m·K) แต่ความบาง (0.8–1.5 มม.) เมื่อรวมกับแผ่นรองเหล็กที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง ส่งผลให้มีความต้านทานผนังโดยรวมประมาณหนึ่งในสิบของท่อ PTFE ทั้งหมดที่มีระดับแรงดันที่เทียบเคียงได้ อย่างไรก็ตาม ท่อแก้วมีความแข็ง เปราะ และไม่สามารถใช้เป็นกลุ่มท่ออ่อนได้ เป็นตัวเลือกระดับพรีเมียมสำหรับเฉพาะกลุ่ม: การใช้งานที่อุณหภูมิสูงและมีการกัดกร่อนสูง โดยมีการควบคุมแรงกระแทกทางกลและท่อแข็งเส้นเดียวเป็นที่ยอมรับได้-โดยมักจะอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อ วัสดุที่ดีที่สุดมักจะเป็นการผสมผสานระหว่างสิ่งที่ตรงกันข้าม และเหล็กที่บุด้วยกระจกก็ประสบความสำเร็จหากเป็นวัสดุเฉพาะกลุ่ม