Como a condutividade térmica de um tubo de aço revestido com fluoropolímero-se compara ao PTFE sólido?

A tubulação sólida de PTFE é quimicamente resistente, mas mecanicamente fraca. Uma parede espessa é necessária para obter uma classificação de pressão razoável. Esta espessura significa uma grande resistência térmica. Uma boa opção é um tubo de aço com uma pequena camada de fluoropolímero quimicamente resistente em seu interior. Esta estrutura composta tem a resistência do metal e a resistência à corrosão do plástico. Do ponto de vista térmico, o revestimento plástico fino é uma barreira significativamente menor do que a parede espessa de um tubo sólido de PTFE, e o desempenho geral de transferência de calor do tubo revestido pode ser surpreendentemente melhor. Neste artigo, revisamos a comparação entre a condutividade térmica de um tubo de aço revestido com fluoropolímero e PTFE sólido em aplicações reais de transferência de calor.

O que é resistência térmica em sistemas tubulares
Conceito Geral de Resistência Térmica
A resistência total à passagem do calor através da parede de um tubo é a soma das resistências das várias camadas. Para um tubo de camada única (PTFE sólido) a resistência está relacionada à espessura da parede e inversamente proporcional à condutividade térmica do material. Para um tubo compósito (aço e liner) são adicionadas a resistência do invólucro de aço e do liner de fluoropolímero.

Valores da condutividade térmica dos materiais
A condutividade térmica do PTFE sólido é de cerca de 0,25 W/(m·K) à temperatura ambiente, baixa-comparável ao isolante térmico.

O aço carbono tem uma condutividade térmica de cerca de 45-50 W/(mK), que é cerca de 200 vezes maior que a do PTFE.

A condutividade térmica dos revestimentos de fluoropolímero (PTFE, PFA, FEP) também é baixa, cerca de 0,20-0,25 W/(m·K).

A principal diferença não é a condutividade inerente ao plástico, mas sim a espessura necessária em cada projeto.

Tubo de PTFE sólido-de parede espessa versus tubo de aço revestido
Tubo de aço-revestido com fluoropolímero, plástico fino, metal condutor
Para um tubo de aço revestido, o invólucro de aço é um excelente condutor e a classificação de pressão estrutural é tomada totalmente pelo invólucro de aço. O fluoropolímero, muitas vezes PTFE ou PFA, só precisa ser quimicamente resistente, por isso é aplicado como um revestimento fino, geralmente de 0,5 a 1,0 mm de espessura. A espessura da parede do aço é definida para conter a pressão (normalmente 2–5 mm), embora a alta condutividade do aço contribua com relativamente pouca resistência térmica.

Para um tubo revestido com revestimento de PTFE de 1,0 mm e parede de aço de 3,0 mm, a resistência térmica geral é:

Resistência do revestimento: 0.0010.25=0.004 m2K/W 0,250,001​=0.004 m2K/W

Resistência do aço: 0,00345≈0,00007 m2K/W450.003​≈0,00007 m2K/W (insignificante)

Resistência total: ~0,00407 m 2 K/W

Isto é cerca de um terço da resistência do tubo PTFE sólido de 3 mm (0,012 m²K/W). Na prática, a condutividade térmica do tubo de aço revestido com fluoropolímero, em contraste com a do PTFE sólido, demonstra que o tubo revestido proporciona um desempenho geral de transferência de calor muito melhor.

É um composto inteligente: uma camada fina de plástico termicamente ágil sobre um esqueleto de aço robusto e condutor. O tubo revestido vence o tubo de plástico sólido e grosso na corrida térmica.

Implicações práticas para o projeto de trocadores de calor
Valor U-melhorado e equipamentos mais compactos
A resistência térmica geral do tubo revestido é normalmente 50-70% menor que a de um tubo sólido de PTFE com classificação de pressão igual. Portanto, trocadores de calor feitos com tubos revestidos podem ter um valor U geral maior. isso está habilitado:

Área de superfície de transferência de calor reduzida para tarefas semelhantes

Projetos mais compactos de trocadores

Tempos de residência de fluido mais curtos que podem ser úteis para fluxos de processo sensíveis à temperatura

Usos típicos
Este método é amplamente aplicado a tubulações de grande diâmetro (2 polegadas e maiores) e contêineres, como reatores revestidos, tanques de armazenamento e trocadores de calor-e{2}}tubos em serviços severamente corrosivos, como ácido clorídrico, ácido sulfúrico quente ou solventes clorados agressivos.

Considerações Técnicas Críticas
Precisamos de um vínculo perfeito e vazio-gratuito
O revestimento de fluoropolímero deve se conectar perfeitamente e completamente-livre de vazios ao substrato de aço. Qualquer lacuna ou delaminação fornece uma camada de ar com condutividade térmica de apenas ~0,025 W/(m·K)-dez vezes menor que o PTFE. Um entreferro é um isolante térmico muito ruim. Ele também permite que o fluido corrosivo do processo passe por baixo do revestimento, causando corrosão-sublinha. A corrosão oculta pode perfurar rapidamente a carcaça de aço por dentro, sem qualquer evidência externa.

Riscos de separação do revestimento ou furos
A principal desvantagem-do tubo revestido em relação ao PTFE sólido é o potencial de falha mecânica do revestimento. Se o revestimento se soltar (se destacar do aço) ou desenvolver um furo, o fluido corrosivo entrará em contato direto com o aço. Mesmo um furo pode causar corrosão localizada e eventual falha do tubo. Portanto, os tubos revestidos precisam de controle de qualidade rigoroso na fabricação- - normalmente por meio de testes de faísca ou detecção de férias de alta tensão - e inspeção periódica em serviço.

Processos de Fabricação
Muitas técnicas são aplicadas aos revestimentos de fluoropolímero:

Ajuste interferente com forro solto (não{0}}colado)

Colagem adesiva ou sinterização (para PTFE) .

Moldagem por injeção ou rotolining (no caso de PFA e FEP)

Para máxima transmissão de calor, são preferidos revestimentos colados com contato total da superfície.

Conclusão: Dois Materiais Combinados para Melhor Desempenho Térmico
Um tubo de aço revestido com fluoropolímero é um compromisso térmico inteligente, usando a resistência estrutural do metal para permitir um revestimento muito mais fino e, portanto, mais eficiente termicamente, resistente à corrosão-. O plástico é um mau condutor, mas a redução drástica na espessura necessária – de vários milímetros em PTFE sólido para menos de um milímetro num tubo revestido – mais do que compensa isso. A construção resultante é uma estrutura composta que possui características gerais de transferência de calor mais altas do que um tubo de PTFE sólido de paredes espessas, preservando ao mesmo tempo excelente resistência química.

Freqüentemente, a opção ideal de transferência de calor é o casamento de dois materiais diferentes. Para tubos de aço-revestidos com fluoropolímero, a combinação da resistência e da condutividade do aço com a inércia química do PTFE resulta em um componente que é melhor do que qualquer um dos materiais isoladamente. A compensação--possíveis riscos de descolamento ou pinhole-é tratada por meio de rigorosa qualidade de produção e inspeção de rotina. Com essas proteções, o tubo revestido oferece uma solução elegante e termicamente eficiente para tarefas corrosivas de aquecimento ou resfriamento.