¿Cómo se compara la conductividad térmica de un tubo de acero revestido de -fluoropolímero con la del PTFE sólido?

Los tubos de PTFE sólido son químicamente resistentes pero mecánicamente débiles. Se requiere una pared gruesa para poder obtener una presión nominal razonable. Este espesor supone una gran resistencia térmica. Una buena opción es un tubo de acero con una pequeña capa de fluoropolímero químicamente resistente en su interior. Esta estructura compuesta tiene la fuerza del metal y la resistencia a la corrosión del plástico. Desde un punto de vista térmico, el delgado revestimiento de plástico es una barrera significativamente más pequeña que la pared gruesa de un tubo de PTFE sólido, y el rendimiento general de transferencia de calor del tubo revestido puede ser sorprendentemente mejor. En este artículo, revisamos la comparación entre la conductividad térmica de un tubo de acero revestido de fluoropolímero y PTFE sólido en aplicaciones reales de transferencia de calor.

¿Qué es la resistencia térmica en sistemas tubulares?
Concepto general de resistencia térmica
La resistencia total al paso del calor a través de la pared de un tubo es la suma de las resistencias de las distintas capas. Para un tubo de una sola capa (PTFE sólido) la resistencia está relacionada con el espesor de la pared e inversamente proporcional a la conductividad térmica del material. Para un tubo compuesto (acero y revestimiento), se suma la resistencia de la carcasa de acero y el revestimiento de fluoropolímero.

Valores de la conductividad térmica de los materiales.
La conductividad térmica del PTFE sólido es de aproximadamente 0,25 W/(m·K) a temperatura ambiente, baja-comparable con el aislante térmico.

El acero al carbono tiene una conductividad térmica de alrededor de 45-50 W/(mK), que es aproximadamente 200 veces mayor que la del PTFE.

La conductividad térmica de los revestimientos de fluoropolímero (PTFE, PFA, FEP) también es baja, alrededor de 0,20-0,25 W/(m·K).

La principal diferencia no es la conductividad inherente del plástico, sino el espesor necesario en cada diseño.

Tubo de PTFE sólido de pared-gruesa frente a tubo de acero revestido
Tubo de acero revestido de fluoropolímero-, plástico fino, metal conductor
Para un tubo de acero revestido, la carcasa de acero es un excelente conductor y la clasificación de presión estructural la asume totalmente la carcasa de acero. El fluoropolímero, a menudo PTFE o PFA, sólo necesita ser resistente químicamente, por lo que se aplica como una capa delgada, generalmente de 0,5 a 1,0 mm de espesor. El espesor de la pared de acero está configurado para contener la presión (normalmente de 2 a 5 mm), aunque la alta conductividad del acero aporta relativamente poca resistencia térmica.

Para un tubo revestido con revestimiento de PTFE de 1,0 mm y pared de acero de 3,0 mm, la resistencia térmica general es:

Resistencia del revestimiento: 0.0010.25=0.004 m2K/W 0.250.001​=0.004 m2K/W

Resistencia del acero: 0.00345≈0.00007 m2K/W450.003​≈0.00007 m2K/W (despreciable)

Resistencia total: ~0,00407 m 2 K/W

Esto es aproximadamente un tercio de la resistencia del tubo macizo de PTFE de 3 mm (0,012 m²K/W). En la práctica, la conductividad térmica del tubo de acero revestido con fluoropolímero, en contraste con la del PTFE sólido, demuestra que el tubo revestido proporciona un rendimiento general de transferencia de calor mucho mejor.

Es un compuesto inteligente: una fina capa de plástico térmicamente ágil sobre un esqueleto de acero robusto y conductor. El tubo revestido supera al tubo de plástico macizo y grueso en la carrera térmica.

Implicaciones prácticas para el diseño de intercambiadores de calor.
Valor U-mejorado y equipo más compacto
La resistencia térmica general del tubo revestido suele ser un 50-70% menor que la de un tubo de PTFE sólido de igual presión nominal. Por lo tanto, los intercambiadores de calor fabricados con tubos revestidos pueden tener un valor U general mayor. esto está habilitado:

Superficie de transferencia de calor reducida para tareas similares

Diseños más compactos de intercambiadores.

Tiempos de residencia de fluidos más cortos que pueden ser útiles para corrientes de proceso sensibles a la temperatura

Usos típicos
Este método se aplica ampliamente a tuberías de gran diámetro (2 pulgadas y más) y contenedores como reactores revestidos, tanques de almacenamiento e intercambiadores de calor de carcasa-y-tubos en servicios severamente corrosivos como ácido clorhídrico, ácido sulfúrico caliente o solventes clorados agresivos.

Consideraciones técnicas críticas
Necesitamos un vínculo perfecto y libre de-vacíos
El revestimiento de fluoropolímero debe conectarse perfectamente y sin huecos-con el sustrato de acero. Cualquier espacio o delaminación proporciona una capa de aire con una conductividad térmica de solo ~0,025 W/(m·K)-diez veces menor que el PTFE. Un espacio de aire es un aislante térmico muy pobre. También permite que el fluido de proceso corrosivo penetre debajo del revestimiento causando-corrosión subyacente. La corrosión oculta puede perforar rápidamente la carcasa de acero desde el interior sin evidencia externa.

Riesgos de separación del revestimiento o poros
La principal desventaja-del tubo revestido frente al PTFE sólido es la posibilidad de fallo mecánico del revestimiento. Si el revestimiento se desprende (se levanta del acero) o se forma un orificio, el fluido corrosivo entra en contacto directo con el acero. Incluso un pequeño agujero puede causar corrosión localizada y eventualmente falla en el tubo. Por lo tanto, los tubos revestidos necesitan un estricto control de calidad en la fabricación- (normalmente mediante pruebas de chispa o detección de vacaciones de alto voltaje) e inspecciones periódicas en servicio.

Procesos de fabricación
Se aplican muchas técnicas a los revestimientos de fluoropolímero:

Ajuste de interferencia del forro suelto (no-adherido)

Unión adhesiva o sinterización (para PTFE).

Moldeo por inyección o rotolining (en el caso de PFA y FEP)

Para una máxima transmisión de calor, se prefieren revestimientos adheridos con contacto superficial completo.

Conclusión: dos materiales combinados para un mejor rendimiento térmico
Un tubo de acero revestido con fluoropolímero es un compromiso térmico inteligente, que utiliza la resistencia estructural del metal para permitir un recubrimiento resistente a la corrosión- mucho más delgado y, por lo tanto, térmicamente más eficiente. El plástico es un mal conductor, pero la drástica reducción del espesor necesario (de varios milímetros en PTFE sólido a menos de un milímetro en un tubo revestido) lo compensa con creces. La construcción resultante es una estructura compuesta que tiene características generales de transferencia de calor más altas que un tubo de PTFE sólido-de pared gruesa, al tiempo que conserva una excelente resistencia química.

A menudo, la opción óptima para la transferencia de calor es la unión de dos materiales diferentes. Para los tubos de acero revestidos de fluoropolímero-, la combinación de la resistencia y conductividad del acero con la inercia química del PTFE da como resultado un componente que es mejor que cualquiera de los materiales por separado. La compensación-contra-posibles riesgos de desprendimiento o poros-se maneja mediante una estricta calidad de producción e inspecciones de rutina. Con estas protecciones, el tubo revestido ofrece una solución elegante y térmicamente eficiente para tareas corrosivas de calentamiento o enfriamiento.