Mikä on PFA (perfluorialkoksi) vaippalämmittimelle, jota käytetään pitämään 160 astetta 70-prosenttisessa rikkihappoliuoksessa 2 baarin paineessa, mikä on suurin sallittu seinämän paksuus polymeerin lämpöhajoamisen estämiseksi vastuslangan rajapinnassa?

PFA (perfluoroalkoksi) vaippalämmittimet on suunniteltava 70 % rikkihapolle 160 asteessa ja 2 baarin paineessa siten, että lämpötila vastuslangan rajapinnassa pysyy polymeerin jatkuvan 260 asteen käyttölämpötilan alapuolella. Lämpötilan lasku PFA-seinän poikki saadaan yhtälöstä ΔT=(q × t) / k, jossa q on lämpövirta (W/m²), t on seinämän paksuus (m) ja k on PFA:n lämmönjohtavuus (0,25 W/m·K). Tyypilliselle tehotiheydelle 8 W/cm2 (80000 W/m2) ja bulkkihapon lämpötilalle 160 astetta suurin sallittu seinämänpaksuus langan lämpötilan varmistamiseksi<260°C is 0.31 mm. If the walls are made thicker, the wire interface would be above 260°C, at which point the polymer will soften and degrade

PFA-vaippojen lämpöhajoamismekanismi

Vastuslangan tuottaman lämmön on johdettava PFA-seinän läpi happoon. T_lanka=T_happo + ΔT on lämpötila langan rajapinnassa PFA alkaa pehmentyä 260 asteessa ja alkaa heikentyä yli 300 astetta. Pitkän aikavälin luotettavuuden vuoksi johtoliitännän lämpötila ei saa ylittää 260 astetta. Lämpövirta q on ilmoitettu tehotiheydessä (W/cm2) ja se on lämmittimen tehon ja pinta-alan funktio.

Langan lämpötila vs seinämän paksuus kvantitatiivinen

160 asteessa tehotiheys 8 W/cm² (80 000 W/m²) 70 % H₂SO₂:lle:

Seinän paksuus (mm) ΔT PFA poikki ( aste ) Langan lämpötila ( aste ) PFA kunto 0.15 48 208 Turvallinen 0.20 64 224 Turvallinen 0.25 80 240 Turvallinen 0.31 100 260 Suurin sallittu 0.35 112 272 Hajoaminen alkaa 0.40 128 288 Pehmeneminen 0.50 160 320Vakava heikkeneminen
Suurin sallittu seinän paksuus eri tehotiheyksillä

Seuraavassa taulukossa näkyy suurin sallittu seinämän paksuus PFA-vaippalämmittimille 70 % H2SO4:ssa 160 asteessa tehotiheyden funktiona.

Tehon tiheys (W/cm2) ΔT per mm paksuus ( aste /mm) Max seinämän paksuus T_langalle<260°C (mm) 5 20 0.5
6 24 0.42 7 28 0.36 8 32 0.31 9 36 0.28 10 40 0.25 12 48 0.21
Teknisiä huomioita 1.

Seinäpaksuuden tulee myös kestää 2 baarin sisäistä painetta (jos lämmitin on putki) ja kuormitusta sekä antaa vaadittu mekaaninen lujuus. Yli 1 baarin paineille suositellaan vähintään 0,3 mm:n seinämää lämpölaskelmista riippumatta. Tässä sovelluksessa (2 bar) seinämän paksuus 0,3 – 0,35 mm on kompromissi termisten ja mekaanisten vaatimusten välillä. Jos seinät ovat paksumpia, tehotiheyttä on vähennettävä tai lisättävä lämmönlevitin.

Muut menetelmät

Jos mekaanisen eheyden edellyttämä seinämän paksuus ylittää lämpörajan, rakennetta voidaan muuttaa seuraavasti:

Tehon tiheyden vähentäminen (halkaisijaltaan suurempi tai suurempi lämmitin)

Lämpöä johtavan materiaalin käyttö (PEEK:n k=0.32 W/m·K, hieman parempi)

Metallilämmönlevittimen asettaminen PFA-suojukseen

Korkeamman lämpötilan polymeerin käyttö (mitään ei ole saatavilla tähän yli 260 asteen kemialliseen ympäristöön)

Hyvin tietoinen erittely

Johdon koskettimen pitämiseksi alle 260 asteessa PFA-vaippalämmittimen, jonka tehotiheys on 8 W/cm2, 70 % rikkihapossa 160 asteessa ja 2 baarin paineessa, suurin seinämän paksuus on 0,31 mm. Mekaanisen luotettavuuden takaamiseksi tulee käyttää joko vahvistuskerrosta tai tehotiheys laskea arvoon 6 W/cm², jolloin seinämän paksuus on 0,42 mm. Insinööri ohjaa seinämän paksuutta ja tehotiheyttä välttääkseen PFA:n lämpöhajoamisen rajapinnassa vastuslangan kanssa.