Duplexné nehrdzavejúce ocele, ako napríklad 2205, sa často vyberajú pre svoju pevnosť a odolnosť proti korózii, ale ich schopnosť prenášať teplo sa často považuje za podobnú ako 316L. Skutočný príbeh je jemnejší a odhaľuje, prečo môže byť duplexný výmenník tepla často silnejší a tepelne efektívnejší. Pri hodnoteníduplexná tepelná vodivosť z nehrdzavejúcej ocele vs 316L kyselinaservisné aplikácie, priame porovnanie surových čísel tepelnej vodivosti hovorí len malú časť príbehu.
Surová tepelná vodivosť: Malý rozdiel
Pri izbovej teplote sú tepelné vodivosti týchto dvoch zliatin skutočne blízke. Pre typické prevádzkové teploty výmenníka tepla (20–100 stupňov):
Nerezová oceľ 316L: približne 13 W/m·K.
Duplex 2205: približne 15 W/m·K.
Rozdiel zhruba 2 W/m·K je pri praktickej konštrukcii výmenníka tepla zanedbateľný. Tepelný odpor steny kovovej rúrky je už len veľmi malým prispievateľom k celkovému súčiniteľu prestupu tepla (hodnota U), najmä v porovnaní s odpormi hraničnej vrstvy na stranách rúrky a plášťa. Pre typickú stenu rúrky s hrúbkou 1 mm je vodivý odpor (hrúbka vydelená vodivosťou) približne 0,000077 m²·K/W pre 316L a 0,000067 m²·K/W pre duplex-rozdiel len 0,00001 m²·K/W, ktorý sa stráca v okrajoch typických nečistôt Preto, pokiaľ ide o samotnú vodivosť, duplex neponúka žiadnu zmysluplnú výhodu.
Skutočná tepelná výhoda pochádza zo sily
Nie je to vodivosť kovu, ale to, čo sila kovu umožňuje, prináša tepelnú výhodu. Duplex 2205 má minimálnu medzu klzu približne 450 MPa, zatiaľ čo 316L má približne 170 MPa-viac ako dvojnásobok. Táto vyššia pevnosť umožňuje navrhnúť rúrky výmenníka tepla s výrazne tenšími stenami, pričom stále odolávajú rovnakému vnútornému tlaku. Štandardná hrúbka steny trubice pre 316L v prevádzke so zriedenou kyselinou pri miernom tlaku (napr. 10 bar) môže byť 1,2–1,6 mm. Pre duplex 2205 je možné dosiahnuť rovnaký tlak s hrúbkou steny 0,7–0,9 mm.
Tenšia stena rúrky priamo znižuje vodivý tepelný odpor. Pre výmenník tepla kvapalina-kvapalina, kde sú koeficienty prestupu tepla fólie na oboch stranách relatívne vysoké (napr. 2000–5000 W/m²·K), môže odpor steny rúrky predstavovať významný podiel z celkového počtu. Zníženie hrúbky steny z 1,2 mm na 0,8 mm znižuje odpor kovu o jednu tretinu, čo môže zvýšiť celkovú hodnotu U o 3–8% v závislosti od prevádzky. V aplikáciách kritických z hľadiska hmotnosti alebo priestoru{11}}ako sú pobrežné plošiny, mobilné zariadenia alebo kompaktné prevádzkové lyžiny{12}}môže toto zlepšenie odôvodniť inováciu materiálu.
Odolnosť proti korózii v prevádzke so zriedenými kyselinami
316L aj duplex 2205 sa používajú v prostredí so zriedenou kyselinou (napr. kyselina octová, kyselina citrónová, zriedená kyselina sírová alebo kyselina fosforečná). Duplex však ponúka vynikajúcu odolnosť proti koróznemu praskaniu spôsobenému chloridom (SCC). V prúdoch zriedenej kyseliny, ktoré obsahujú dokonca stopové množstvo chloridov (bežné v priemyselnej vode), je 316L citlivý na SCC pri teplotách nad 50–60 stupňov. Duplex 2205 má oveľa vyššiu odolnosť voči chloridovému SCC, čo umožňuje prevádzku pri vyšších teplotách a koncentráciách bez rizika náhleho prasknutia.
Pretože duplexný systém možno použiť v podmienkach, kde by 316L zlyhal, porovnanie tepelného výkonu je niekedy sporné-, ak 316L nemôže bezpečne fungovať, je nutný výber. Ale tam, kde je možné použiť oboje, poskytuje duplex kombinácia tenších stien a odolnosti SCC tepelné aj mechanické výhody.
Praktický vplyv na hodnotu U a veľkosť výmenníka
Pre typický výmenník tepla so zriedenou kyselinou (napr. chladenie alebo ohrev kyselina – voda) môže byť celkové zlepšenie hodnoty U pri použití tenších duplexných rúrok mierne,-možno o 50–100 W/m²·K vyššie ako pri ekvivalentnom 316L návrhu. To znamená zníženie potrebnej plochy prenosu tepla o 5–10 %. To nemusí stačiť na zmenšenie výmenníka o plnú veľkosť plášťa, ale môže to znížiť počet rúrok alebo dĺžku, čím sa ušetrí hmotnosť a náklady.
Tam, kde duplex skutočne žiari, sú aplikácie, ktoré sú už obmedzené tlakom alebo hrúbkou. Napríklad vysokotlakový kyslý ohrievač vyžadujúci hrubé steny 316L (napr. 2 mm) môže mať taký vysoký vodivý odpor, že tepelný výkon trpí. Duplex môže poskytnúť rovnakú tlakovú integritu s hrúbkou steny 1,2 mm, čo výrazne zlepšuje U-hodnotu a umožňuje menší a ľahší výmenník.
Úvahy o mechanickom dizajne
Pri špecifikácii duplexných rúrok pre výmenník tepla je potrebné zvážiť niekoľko faktorov nad rámec jednoduchej hrúbky steny:
Minimálna hrúbka výroby– Aj keď tlaková konštrukcia umožňuje veľmi tenkú rúru (napr. 0,5 mm), valcovanie rúr alebo zváranie do rúrok vyžaduje minimálnu hrúbku steny, aby sa predišlo zrúteniu alebo prepáleniu. Pre duplex je praktické minimum 0,7 – 0,9 mm pre väčšinu plášťovo-rúrkových výmenníkov.
Príspevok na eróziu– Ak zriedená kyselina obsahuje suspendované pevné látky, vyššia pevnosť duplexu neznižuje eróziu. Ešte by sa mala pridať povolená hrúbka (napr. +0.3 mm).
Tepelná rozťažnosť– Duplex má koeficient tepelnej rozťažnosti (asi 13 µm/m·K), ktorý je o niečo nižší ako 316L (asi 17 µm/m·K). To môže znížiť napätie v konštrukciách pevných rúrok, čo umožňuje menej dilatačných spojov.
Náklady na výrobu– Duplex je o niečo drahší na kilogram a vyžaduje si starostlivejšie postupy zvárania. Znížený objem kovu (tenšie steny) však čiastočne kompenzuje náklady.
Poznámka o korózii zriedenou kyselinou
V zriedených kyselinách sa 316L aj duplex spoliehajú na pasívny film oxidu chrómu. Vyšší obsah molybdénu v Duplexe (3 % oproti 2 % pre 316L) poskytuje lepšiu odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii, najmä v prítomnosti chloridov. Avšak vo veľmi agresívnych redukčných kyselinách (napr. horúca zriedená kyselina chlorovodíková) nie je vhodná ani jedna; bude potrebná niklová zliatina alebo PTFE obloženie. Pre typické organické kyseliny alebo mierne agresívne minerálne kyseliny pri miernych teplotách má duplex obdivuhodné vlastnosti.
Záver
Duplex získava svoju tepelnú výhodu svojou silou, nie svojou vodivosťou. Zatiaľ čo surovéduplexná tepelná vodivosť z nehrdzavejúcej ocele vs 316L kyselinaporovnanie ukazuje len malý rozdiel (15 W/m·K oproti 13 W/m·K), skutočným prínosom je približne dvojnásobná medza klzu duplexu, ktorá umožňuje výrazne tenšie steny rúrky pri rovnakej hodnote tlaku. Tenšia stena znižuje vodivý tepelný odpor a zlepšuje celkový súčiniteľ prestupu tepla (hodnota U) o niekoľko percent až takmer desať percent, v závislosti od prevádzky. To v kombinácii s vynikajúcou odolnosťou proti koróznemu praskaniu spôsobenému chloridom robí z duplexu presvedčivú voľbu pre výmenníky tepla so zriedenou kyselinou, kde sú prioritou hmotnosť, priestor alebo dlhodobá spoľahlivosť. Niekedy je najlepším spôsobom, ako zlepšiť prenos tepla, zlepšiť mechanickú konštrukciu-a duplexná nehrdzavejúca oceľ to dokonale dokazuje. Výsledkom je ľahší, efektívnejší a robustnejší výmenník tepla, ktorý nie je umožnený lepším vodičom, ale pevnejšou konštrukciou.
