Klaasvoodriga terastoru on kahest maailmast sündinud komposiit: õhuke korrosioonikindel klaasümbris, mis on keemiliselt ühendatud tugeva ja sitke teraskesta külge. Soojuslikust vaatenurgast ei ole see suurepärane juht nagu tahke metall ega täielik isolaator nagu paks polümeer. Selle jõudlus on selle kahe kihi õrn keskmine. Mõistesklaasiga vooderdatud teras vs PTFE toru soojusjuhtivusvõrdlus on oluline õige soojusvaheti või ülekandetoru valimiseks korrodeerivates ja kõrge temperatuuriga protsessides.
Iga komponendi soojusjuhtivus
Klaasvooder – halb, kuid õhuke tõke
Terastorude klaasvooder on tavaliselt boorsilikaat või sarnane leelisevaba klaas, mis on valmistatud keemilise vastupidavuse ja termilise šoki taluvuse tagamiseks. Selle soojusjuhtivus on madal: ligikaudu1.0–1.2 W/m·Ktüüpilistel töötemperatuuridel (20–200 kraadi). See väärtus on ligikaudu neli korda kõrgem kui PTFE oma (0,25 W/m·K), kuid siiski suurusjärgu võrra väiksem kui terasel.
Klaasikiht on aga väga õhuke. Standardse klaasvoodriga terastorusse kantakse klaaskate paksusega0,8 kuni 1,5 mm(tavaliselt umbes 1 mm). Kuna soojustakistus on võrdeline paksusega, mis on jagatud juhtivusega (R=paksus / k), võib keskpärase juhi õhuke kiht siiski tekitada suhteliselt väikese takistuse.
Terasest alus – tugev juht
Selle all oleva terastoru (tavaliselt süsinikterasest või vähelegeeritud terasest) soojusjuhtivus on ligikaudu45–50 W/m·K– umbes 40–50 korda kõrgem kui klaas ja ligi 200 korda kõrgem kui PTFE. Terase paksus on tavaliselt 2–5 mm, sõltuvalt rõhuklassist. Kuna teras on hea juht ja klaas õhuke, domineerib komposiitseina üldises takistuses klaasikiht, kuid teras lisab väga vähe lisatakistust.
PTFE toru – madala juhtivusega, paks sein
Tahke PTFE toru soojusjuhtivus on seevastu ligikaudu0.22–0.25 W/m·K. Klaasvoodriga terastoruga samasuguse mehaanilise tugevuse ja rõhu saavutamiseks peab PTFE-toru sein olema tunduvalt paksem. Näiteks PTFE toru, mille pinge on 6 baari 100 kraadi juures, võib seinapaksus olla 2–4 mm, võrreldes klaasiga vooderdatud terastoruga, mille seina kogupaksus (klaas + teras) on 3–6 mm, kuid suurem osa sellest paksusest on kõrge juhtivusega teras.
Üldise soojustakistuse (U-väärtus) võrdlemine
Toruseina üldine soojusülekandetegur (U-väärtus) määratakse klaasi, terase ja kahe vedeliku piirkihi takistuste liitmisel. Selle võrdluse jaoks võetakse arvesse ainult seina takistusi, eeldades, et vedeliku tingimused on identsed.
Tüüpilise juhtumi arvutuse näide:
| Parameeter | Klaasiga kaetud teras | Täis-PTFE |
|---|---|---|
| Klaasi paksus (mm) | 1.0 | – |
| Klaasi juhtivus (W/m·K) | 1.1 | – |
| Terase paksus (mm) | 3.0 | – |
| Terase juhtivus (W/m·K) | 48 | – |
| PTFE paksus (mm) | – | 3.0 |
| PTFE juhtivus (W/m·K) | – | 0.25 |
Seina takistus (R_wall):
Klaasvoodriga teras: R_klaas=0.001 m / 1,1 W/m·K=0.00091 m²·K/W
R_teras=0.003 m / 48 W/m·K=0.0000625 m²·K/W
R_sein kokku=0.00097 m²·K/W
Täis-PTFE: R_PTFE=0.003 m / 0,25 W/m·K=0.012 m²·K/W
PTFE toru seina takistus on ligikaudu12 korda kõrgemkui klaasiga vooderdatud terastoru oma, vaatamata sellele, et PTFE-l on veidi madalam juhtivus paksuseühiku kohta. Klaasiga vooderdatud terassein on palju juhtivam, kuna isoleerklaas on väga õhuke ja terasest aluspind kannab suuremat osa paksusest kõrge juhtivusega.
Praktilises soojusvahetis on sageli domineerivaks teguriks vedelikukihi takistused mõlemal küljel. Kuid sama vedeliku kiiruse korral annab klaasvoodriga terastoru 20–40% kõrgema üldise U-väärtuse kui võrreldava rõhuklassiga täis-PTFE toru.
Soojusvaheti disaini tegelikud tagajärjed
Klaasvoodriga terasest eelised
Suurem soojuslik efektiivsus– Komposiitsein võimaldab suuremat soojusülekannet pinnaühiku kohta võrreldes PTFE-ga, võimaldades sama töö jaoks väiksemat soojusvaheti jalajälge.
Konstruktsiooni tugevus– Terasest aluskate talub survet, mehaanilist koormust ja termilist tsüklit ilma roomamise või deformeerumiseta. Klaasvoodriga terastorusid saab kasutada kõrgemal rõhul (kuni 10–16 baari) ja temperatuuril (kuni 200–250 kraadi) kui PTFE-d.
Jäikus– Sirgeid jäiku torusid on lihtsam mehaaniliselt puhastada ja neid saab paigutada tavapärase kesta ja toru geomeetriaga.
Klaasvoodriga terasest piirangud
Haprus– Klaasikiht on vastuvõtlik mehaanilisele šokile, termilisele šokile ja vibratsioonile. Järsk üle 100-kraadine temperatuurimuutus võib klaasi lõhkuda. Seda ei saa kasutada painduvates torukimpudes ega seal, kus on oodata vibratsiooni.
Valmistamise piirangud– Klaasvoodriga torud on tavaliselt sirged, mitte rullideks painutatud. Äärikud ja liitmikud peavad olema spetsiaalselt kaetud klaasiga, mis suurendab kulusid.
Kontrolli nõuded– Klaasi kõik praod või pragud ohustavad selle all oleva terase korrosiooni, mis viib kiiresti rikkeni. Vaja on regulaarset sädemete testimist.
PTFE eelised, mis tasakaalustavad selle madalamat juhtivust
Vaatamata oma kehvemale soojusjuhtivusele on PTFE paljudes rakendustes eelistatud materjal, kuna:
See on täiesti paindlik, võimaldades torusid, mida saab sisestada läbi väikeste avade või mis on vibratsioonikindlad.
See on termilise šoki suhtes immuunne ning seda saab kiiresti soojendada ja jahutada.
See ei kannata aukude ega pragude levimist; väike defekt ei paljasta koheselt korrodeeruvat aluspinda.
See on kergem ja lihtsam paigaldada keerukate geomeetriate korral.
Klaas on õhuke, kuum aken; teras on tugev ja soe raam
Klaasvoodriga terastoru üldist soojuslikkust ei mõjuta ainult klaasi tagasihoidlik juhtivus. Selle asemel toimib õhuke klaasikiht suhteliselt väikese termilise pudelikaelana, samas kui paks terasest alus tagab mehaanilise tugevuse ja toimib tõhusa soojusjaotajana. Komposiit käitub termiliselt veidi lagunenud metalltoruna, mitte plasttoruna. Näiteks 1 mm klaasvoodriga 3 mm terastoru soojustakistus on vaid veidi kõrgem kui 3 mm vooderdamata terastoru ja palju madalam kui 3 mm PTFE toru.
Juhtivuse sõltuvus temperatuurist
Nii klaasil kui ka PTFE-l on soojusjuhtivuse muutused koos temperatuuriga, kuid suhteline järjestus jääb muutumatuks:
Klaas (borosilikaat)– Juhtivus suureneb väga veidi, alates umbes 1,0 W/m·K 20 kraadi juures kuni 1,2 W/m·K 200 kraadi juures.
Teras– Juhtivus väheneb mõõdukalt temperatuuri tõustes (nt 48 W/m·K 20 kraadi juures kuni 40 W/m·K 200 kraadi juures).
PTFE– Juhtivus jääb peaaegu konstantseks 0,22–0,25 W/m·K 20 kraadist 150 kraadini, seejärel tõuseb 200 kraadi juures veidi väärtuseni 0,28 W/m·K.
Seega säilitab klaasvoodriga terastoru kõrgel temperatuuril PTFE ees märkimisväärse termilise eelise.
Valikujuhised: millal millist valida
| Kriteerium | Klaasiga kaetud teras | PTFE |
|---|---|---|
| Soojusjuhtivus (sein) | Kõrge (madal takistus) | Madal (kõrge takistus) |
| Maksimaalne temperatuur | 200-250 kraadi | 100–120 kraadi (pidev) |
| Maksimaalne rõhk | 10–16 baari (paksu terasega) | 2–6 baari (sõltub seina paksusest) |
| Soojuslöögikindlus | Kehv (suurem kui 100 kraadi/min või sellega võrdne võib praguneda) | Suurepärane |
| Mehaaniline löögikindlus | Kehv (habras) | Suurepärane (paindlik) |
| Korrosioonikindlus | Suurepärane (kui klaas on terve) | Suurepärane |
| Valmistamine rullideks / painduvateks kimpudeks | Ei | Jah |
| Kulu pindalaühiku kohta | Kõrge (spetsiaalne tootmine) | Mõõdukas kuni kõrge |
Järeldus
Klaasvoodriga terastoru pakub PTFE-st kõrgemat soojuslikku uuendust spetsiifilistes jäikades kõrge temperatuuriga rakendustes, kuid selle tõeline eelis seisneb selle ainulaadses korrosioonikindluse ja konstruktsioonitugevuse kombinatsioonis, mitte toores juhtivuses. Theklaasiga vooderdatud teras vs PTFE toru soojusjuhtivusVõrdlus näitab, et klaasikiht ise on halb juht (~1 W/m·K), kuid selle kõhnus (0,8–1,5 mm) koos kõrge juhtivusega terasest aluspinnaga annab seina üldise takistuse, mis on ligikaudu kümnendik võrreldava rõhuklassiga täis-PTFE toru omast. Klaasvoodriga toru on aga jäik, rabe ja seda ei saa kasutada painduvates torukimpudes. See on esmaklassiline valik konkreetse niši jaoks: kõrge temperatuuriga kõrge korrosiooniga rakendused, kus mehaaniline löök on kontrolli all ja üks jäik toru on vastuvõetav -sageli kesta ja toruga soojusvahetis. Parim materjal on sageli vastandite abielu ja klaasvoodriga teras on edukas, kui nišš, liit.
