09FE09 Hővédő bevonat csővezetéken

Fizika egyszerűen

. Ismételten felvetjük a kérdést, hogy fordítva is alkalmazható-e a hővédő nanokerámia? Mert ha a kerámiagömbös bevonat ilyen hatékonyan véd a napsugárzás általi felmelegedés ellen, vajon képes lesz-e egy forró csővezeték melegét megóvni a kihüléstől?

Legyen a fémcső 130C fokos, száz fokkal melegebb a tenyerünktől. Egy másodperc után biztosan megsüt, mert a hetven fokos fémfelület is már égési sérülést okoz néhány másodperc után. Tenyerünk egy század négyzetméter, így megközelítőleg az 1kWs felvett hőenergia (1kWs = 1kW/m²K becsült hőátadás *100 Celsius fokkal * 1/100 m² tenyérfelülettel * egy másodperces tenyérsütéssel), azaz az 1kWs=1kJ hőenergia gyors felvétele megsüti tenyerünket.
Tíz liter víz száz fokra való felmelegítéséhez kb. 1kWh energia szükséges, azaz 1kWh=3600kWs=3600kJ, 10g tenyérbőr "felforralásához" ez alapján 3.6kJ kell, 3g tenyérbőr pedig 1kJ hőenergia felvételével komoly égési sérülést szenved (ennyi hőenergiát vettünk át egy másodperc alatt a forrő csővezeték megmarkolásával). Amennyiben azonban zománcfesték borítást adunk a csővezetéknek, a hőátadás tizedére csökken a bőr maximális 1kW/m²K becsült hőátadásához képest, vagy akár századára csökken, ha a csodafesték aerogél szintű szigeteléssel bír, vagy akár ezredére, ha a csodafesték hővezetési tényezője valóban 0.001W/mK volna.

Markoljuk meg a forró csövet. A hő-védő bevonatnak köszönhetően a hőátadás:
- tízszer kisebb lesz zománcfesték esetén, így a száz fokkal melegebb csövet csak tíz fokkal melegebbnek érezzük, ami ugyan forró már, de nem okoz égési sérülést,
- százszor kisebb lesz aerogél-féle bevonat esetén, így a száz fokkal melegebb csövet csak egy fokkal melegebbnek érezzük, ami sehogyan sem süthet meg,
- ezerszer kisebb lesz nanokerámiás csodafesték esetén (ha a csodafesték hővezetési tényezője valóban 0.001W/mK volna), így a száz fokkal melegebb csövet csak tized fokkal melegebbnek érezhetnénk, amit azonban nem is észlelhetünk puszta érintéssel.

Azonban, mindhárom esetben első érintésre a 130C forró bevonatok mégis MEGSÜTNEK (!):
- első közelítésben megmarkolva a csövet három gramm zománcfesték három gramm bőrrel ossza meg melegét (a zománcfesték a vascső "bőre"): a két "bőrfelület" 80 C fokon találkozik, ami talán egy másodpercig ki is bírható. Ezt követően a meleg utánpótlása a festégréteg által már akadályozott, a festéktől tízszer hatékonyabban "melegszívó" bőrünk elvezeti a meleget, és a kezünk alatt lévő cső felületi hőmérséklete 50C fok körül állandósul, amit hősies fájdalomtűréssel kibírunk.
- második közelítésben megmarkolva a csövet egyharmad gramm aerogél három gramm bőrrel ossza meg melegét (most az aerogél a vascső "bőre", de tömege vagy tízszer kisebb mint az ugyanolyan vastagságú zománcfesték tömege): kb. 40 C fokon találkoznak, ami csak melegnek minősül. A meleg utánpótlása erősen akadályozott, az aerogéltől százszor hatékonyabban "melegszívó" bőrünk elvezeti a meleget, és a kezünk alatt lévő cső felületi hőmérséklete gyakorlatilag testhőmérsékleten állandósul.
- harmadik közelítésben megmarkolva a csövet három század gramm nanokerámia három gramm bőrrel ossza meg melegét (most a nanokerámia a vascső "bőre", de tömege vagy százszor kisebb (? lehetséges ez? válasz: NEM!) mint az ugyanolyan vastagságú zománcfesték tömege): kb. 35 C fokon találkoznak, ami bőrünk hőmérséklete. A meleg utánpótlása erősen akadályozott, az nanokerámiától ezerszer hatékonyabban "melegszívó" bőrünk elvezeti a meleget, és a kezünk alatt lévő cső felületi hőmérséklete gyakorlatilag testhőmérsékleten állandósul.

A 130 C fokos fekete vagy fehér zománcfestékkel bevonatolt vascső nettó 1.1kW/m² meleget fog kisugározni magából (valóban 1500W/m² meleget sugároz ki, de 400W/m² környezeti hősugárzást el is nyel). Továbbá 1.6kW/m² (=16W/m²K*100C) meleget le fog adni hőátadással (szauna effektus), kültéri légmozgást feltételezve.

1mm vastag zománcfesték bevonattal 100C fok hőmérsékletkülönbség esetén a bevonat hővezetése:
- 10kW/m²-re korlátozódik (a zománcfesték hővezetési tényezője 0.1W/mK, 1mm zománcfesték hővezetése pedig 0.1W/mK / 0.001m * 100C = 10000W/m²), tehát a zománcfesték-bevonat nem gátolja a csővezeték 3kW/m² (3=1.1+1.6=2.7) hőátadását a környező levegőnek (de ha kézzel megmarkoljuk, már sokkal kevésbbé süt meg mint a meztelen fémcső).

1mm vastag nanokerámiás hő-védő bevonattal 100C fok hőmérsékletkülönbség esetén a bevonat hővezetése vagy:
- 1kW/m²-re korlátozódik (amennyiben hővezetési tényezője 0.01W/mK, ami az aerogél tulajdonsága, 1mm nanokerámiás hő-védő bevonat hővezetése pedig 0.01W/mK / 0.001m * 100C = 1000W/m²), tehát a hő-védő bevonat ebben az esetben már hőgátat képezve negyedére csökkenti (3kW/m² helyett 3/4kW/m² hővezetés, 75% megtakarítás!) az ipari csővezeték hőveszteségét (pontosan: 1/3+1/1=4/3=1/0.75) , vagy
- 0.1kW/m²-re korlátozódik a hővezetés (amennyiben nanokerámiás hő-védő bevonat hővezetési tényezője valóban 0.001W/mK, 1mm nanokerámiás hő-védő bevonat hővezetése pedig ebben az esetben 0.001W/mK / 0.001m * 100C = 100W/m²)), tehát a hő-védő bevonat hőgátat képezve harmincadára csökkentené az ipari csővezeték hőveszteségét (ha minden igaz volna a nanokerámiás hő-védő bevonatokkal kapcsolatban 97% volna a megtakarítás!) .

De reálisan, tehát valóban 1mm vastag nanokerámiás hő-védő bevonattal 100C fok hőmérsékletkülönbség esetén a bevonat hővezetése:
- 4kW/m²-re korlátozódik (amennyiben a nanokerámiás hő-védő bevonat hővezetési tényezője 0.04W/mK, ami a nikecell tulajdonsága, 1mm nanokerámiás hő-védő bevonat hővezetése pedig 0.04W/mK / 0.001m * 100C = 4000W/m²), tehát a megfelelő minőségű hő-védő bevonat hőgátat képezve gyakorlatilag megfelezi az ipari csővezeték hőveszteségét (pontosan: 1/3+1/4=7/12=1/1.7, 3kW/m² helyett 1.7kW/m² hővezetés, 45% megtakarítás! )