Lasivuorattu teräsputki on komposiitti, joka syntyy kahdesta maailmasta: ohuesta, korroosionkestävästä lasikuoresta, joka on kemiallisesti sidottu vahvaan, kovaan teräskuoreen. Lämpönäkökulmasta katsottuna se ei ole suuri johdin kuten kiinteä metalli, eikä täydellinen eriste kuten paksu polymeeri. Sen suorituskyky on sen kahden kerroksen herkkä keskiarvo. Ymmärtäminenlasilla vuorattu teräs vs PTFE-putki lämmönjohtavuusvertailu on välttämätöntä oikean lämmönvaihtimen tai siirtoputken valinnassa syövyttävissä, korkean lämpötilan prosesseissa.
Jokaisen komponentin lämmönjohtavuus
Lasivuori – huono mutta ohut este
Teräsputkien lasivuoraus on tyypillisesti borosilikaattia tai vastaavaa alkalivapaata lasia, joka on suunniteltu kestämään kemikaaleja ja lämpöiskuja. Sen lämmönjohtavuus on alhainen: noin1.0–1.2 W/m·Ktyypillisissä käyttölämpötiloissa (20-200 astetta). Tämä arvo on noin neljä kertaa suurempi kuin PTFE:llä (0,25 W/m·K), mutta silti suuruusluokkaa pienempi kuin teräksellä.
Lasikerros on kuitenkin erittäin ohut. Normaalissa lasilla vuoratussa teräsputkessa lasipinnoite levitetään paksuudella0,8-1,5 mm(yleensä noin 1 mm). Koska lämpövastus on verrannollinen paksuuteen jaettuna johtavuudella (R=paksuus / k), keskinkertaisen johtimen ohut kerros voi silti tuottaa suhteellisen pienen resistanssin.
Terästausta – vahva johdin
Alla olevan teräsputken (yleensä hiiliteräs tai niukkaseosteinen teräs) lämmönjohtavuus on noin45–50 W/m·K– noin 40–50 kertaa korkeampi kuin lasi ja lähes 200 kertaa korkeampi kuin PTFE. Teräksen paksuus on tyypillisesti 2–5 mm paineluokituksesta riippuen. Koska teräs on hyvä johdin ja lasi ohutta, komposiittiseinän kokonaisresistanssia hallitsee lasikerros, mutta teräs lisää hyvin vähän lisävastusta.
PTFE-putki – matalan johtavuuden, paksu seinämä
Kiinteän PTFE-putken lämmönjohtavuus sitä vastoin on suunnilleen0.22–0.25 W/m·K. Jotta saavutettaisiin sama mekaaninen lujuus ja paineluokitus kuin lasipäällysteisellä teräsputkella, PTFE-putken seinämän on oltava huomattavasti paksumpi. Esimerkiksi PTFE-putken, jonka paine on 6 baaria 100 asteessa, seinämän paksuus voi olla 2–4 mm verrattuna lasivuoratun teräsputken seinämän kokonaispaksuuteen (lasi + teräs) 3–6 mm, mutta suurin osa paksuudesta on erittäin johtavaa terästä.
Kokonaislämpövastuksen (U-arvo) vertailu
Putken seinämän kokonaislämmönsiirtokerroin (U-arvo) määritetään laskemalla yhteen lasin, teräksen ja kahden nesteen rajakerroksen vastukset. Tässä vertailussa otetaan huomioon vain seinämän vastukset, olettaen identtiset nesteolosuhteet.
Esimerkkilaskelma tyypilliseen tapaukseen:
| Parametri | Lasipäällysteinen teräs | Täysin PTFE |
|---|---|---|
| Lasin paksuus (mm) | 1.0 | – |
| Lasin johtavuus (W/m·K) | 1.1 | – |
| Teräksen paksuus (mm) | 3.0 | – |
| Teräksen johtavuus (W/m·K) | 48 | – |
| PTFE:n paksuus (mm) | – | 3.0 |
| PTFE:n johtavuus (W/m·K) | – | 0.25 |
Seinän vastus (R_wall):
Lasipäällysteinen teräs: R_lasi=0.001 m / 1,1 W/m·K=0.00091 m²·K/W
R_teräs=0.003 m / 48 W/m·K=0.0000625 m²·K/W
Yhteensä R_wall=0.00097 m²·K/W
All-PTFE: R_PTFE=0.003 m / 0,25 W/m·K=0.012 m²·K/W
PTFE-putken seinämän resistanssi on noin12 kertaa korkeampikuin lasilla vuoratun teräsputken, vaikka PTFE:n johtavuus on hieman pienempi paksuusyksikköä kohti. Lasipäällysteinen terässeinä on paljon johtavampi, koska eristävä lasi on erittäin ohutta ja terästausta kantaa suurimman osan paksuudesta korkealla johtavuudella.
Käytännön lämmönvaihtimessa nestekalvon resistanssit molemmilla puolilla ovat usein hallitsevia tekijöitä. Kuitenkin samoilla nesteen nopeuksilla lasilla vuorattu teräsputki tarjoaa 20–40 % korkeamman kokonaisU-arvon kuin PTFE-putki, jolla on vastaava paineluokitus.
Reaalimaailman vaikutukset lämmönvaihtimen suunnitteluun
Lasipäällysteisen teräksen edut
Korkeampi lämpötehokkuus– Komposiittiseinä mahdollistaa suuremman lämmönsiirron pinta-alayksikköä kohden verrattuna PTFE:hen, mikä mahdollistaa pienemmän vaihtimen jalanjäljen samassa työssä.
Rakenteellinen lujuus– Terästausta kestää painetta, mekaanista kuormitusta ja lämpökiertoa hiipimättä tai vääntymättä. Lasipäällysteisiä teräsputkia voidaan käyttää korkeammissa paineissa (jopa 10–16 bar) ja lämpötiloissa (jopa 200–250 astetta) kuin PTFE:tä.
Jäykkyys– Suorat, jäykät putket on helpompi puhdistaa mekaanisesti, ja ne voidaan järjestää tavanomaisiin vaippa-putkigeometrioihin.
Lasivuorattu teräsrajoitukset
Hauraus– Lasikerros on herkkä mekaanisille iskuille, lämpöiskuille ja tärinälle. Äkillinen yli 100 asteen lämpötilan muutos voi rikkoa lasin. Sitä ei voi käyttää joustavissa putkinipuissa tai paikoissa, joissa on odotettavissa tärinää.
Valmistuksen rajoitukset– Lasivuoratut putket ovat tyypillisesti suoria, ei taivutettuja keloiksi. Laippojen ja liitosten tulee olla erityisesti lasivuorattuja, mikä lisää kustannuksia.
Tarkastusvaatimukset– Kaikki lasissa olevat halkeamat tai roiskeet altistavat alla olevan teräksen korroosiolle, mikä johtaa nopeasti vaurioitumiseen. Säännöllinen kipinätestaus vaaditaan.
PTFE:n edut tasapainottavat sen alhaisempaa johtavuutta
Huolimatta huonommasta lämmönjohtavuudestaan PTFE on edelleen suosituin materiaali monissa sovelluksissa, koska:
Se on täysin joustava mahdollistaen putkinippujen, jotka voidaan työntää pienistä aukoista tai jotka kestävät tärinää.
Se on immuuni lämpösokille, ja se voidaan lämmittää ja jäähdyttää nopeasti.
Se ei kärsi reikien tai halkeamien leviämisestä; pieni vika ei heti paljasta ruostuvaa alustaa.
Se on kevyempi ja helpompi asentaa monimutkaisiin geometrioihin.
Lasi on ohut, kuuma ikkuna; Teräs on vahva, lämmin runko
Lasipäällysteisen teräsputken yleistä lämpötehoa ei ohjaa lasin vaatimaton johtavuus. Sen sijaan ohut lasikerros toimii suhteellisen pienenä lämpöpullonkaulana, kun taas paksu terästausta antaa mekaanista lujuutta ja toimii tehokkaana lämmönlevittäjänä. Komposiitti käyttäytyy termisesti hieman huonontuneena metalliputkena, ei muoviputkena. Esimerkiksi 3 mm:n teräsputken, jossa on 1 mm:n lasivuoraus, lämpövastus on vain hieman korkeampi kuin 3 mm:n vuoraamattoman teräsputken ja paljon pienempi kuin 3 mm:n PTFE-putken.
Johtavuuden lämpötilariippuvuus
Sekä lasin että PTFE:n lämmönjohtavuus muuttuu lämpötilan mukaan, mutta suhteellinen järjestys pysyy ennallaan:
lasi (borosilikaatti)– Johtavuus kasvaa hyvin vähän noin 1,0 W/m·K 20 asteessa arvoon 1,2 W/m·K 200 asteessa.
Teräs– Johtokyky laskee maltillisesti lämpötilan myötä (esim. 48 W/m·K 20 asteessa arvoon 40 W/m·K 200 asteessa).
PTFE– Johtavuus pysyy lähes vakiona 0,22–0,25 W/m·K välillä 20 astetta 150 asteeseen, sitten nousee hieman arvoon 0,28 W/m·K 200 asteessa.
Näin ollen lasilla vuorattu teräsputki säilyttää korkeassa lämpötilassa merkittävän lämpöedun PTFE:hen verrattuna.
Valintaohjeet: Milloin valita kumpi
| Kriteeri | Lasipäällysteinen teräs | PTFE |
|---|---|---|
| Lämmönjohtavuus (seinä) | Korkea (pieni vastus) | Matala (suuri vastus) |
| Maksimilämpötila | 200-250 astetta | 100-120 astetta (jatkuva) |
| Maksimipaine | 10-16 bar (paksulla teräksellä) | 2-6 bar (riippuu seinämän paksuudesta) |
| Lämpöiskun kestävyys | Huono (suurempi tai yhtä suuri kuin 100 astetta/min voi halkeilla) | Erinomainen |
| Mekaaninen iskunkesto | Huono (hauras) | Erinomainen (joustava) |
| Korroosionkestävyys | Erinomainen (jos lasi on ehjä) | Erinomainen |
| Valmistus keloiksi / taipuisiksi nipuiksi | Ei | Kyllä |
| Hinta pinta-alayksikköä kohti | Korkea (erikoisvalmistus) | Kohtalainen tai korkea |
Johtopäätös
Lasipäällysteinen teräsputki tarjoaa lämpöparannuksia PTFE:hen verrattuna erityisissä, jäykissä ja korkeissa lämpötiloissa, mutta sen todellinen etu on sen ainutlaatuinen yhdistelmä korroosionkestävyyttä ja rakenteellista lujuutta, ei sen raakaa johtavuutta. Thelasilla vuorattu teräs vs PTFE-putki lämmönjohtavuusVertailu osoittaa, että lasikerros itsessään on huono johdin (~1 W/m·K), mutta sen ohuus (0,8–1,5 mm) yhdistettynä erittäin johtavaan terästaustaan johtaa seinämän kokonaisresistanssiin, joka on noin kymmenesosa vastaavan paineluokituksen omaavasta PTFE-putkesta. Lasivuorattu putki on kuitenkin jäykkä, hauras, eikä sitä voida käyttää joustavissa putkinipuissa. Se on ensiluokkainen valinta tiettyyn markkinarakoon: korkean lämpötilan, korkean korroosion aiheuttamiin sovelluksiin, joissa mekaaninen isku on hallinnassa ja yksi jäykkä putki on hyväksyttävä -usein vaippa-putkivaihtimessa. Paras materiaali on usein vastakohtien liitto, ja lasivuorattu teräs on onnistunut, joskin niche-liitto.
