Kuinka mitata PFA-vaipan in situ lämmönjohtavuuden heikkeneminen 5 000 tunnin hapettavissa hapoissa?

Ajan myötä hapettavat hapot, kuten typpihappo (HNO3), kromihappo (H2CrO4) ja väkevä rikkihappo (H2SO4) hajottavat PFA:ta sisällyttämällä polaarisia funktionaalisia ryhmiä (karbonyyli, karboksyyli, sulfonaatti) polymeerin runkoon ja amorfisiin alueisiin. Tämä kemiallinen hajoaminen muuttaa PFA:n lämmönsiirto-ominaisuuksia, ja lämmönjohtavuus (k) laskee tyypillisesti 10-30 % 5000 tunnin jälkeen korotetussa lämpötilassa. Alempi k johtaa suurempaan lämpötilan pudotukseen vaipan poikki samalla lämpövuolla, mikä lisää PFA:n sisäpinnan lämpötilaa ja kiihdyttää edelleen hajoamista positiivisessa takaisinkytkentäsilmukassa. Vertailumenetelmä lämmönjohtavuuden heikkenemisen in situ mittaamiseksi ei vaadi lämmittimen poistamista käytöstä. Lämmittimen pintalämpötila mitataan tunnetulla lämpövuon ja nesteen lämpötilalla ja näennäinen k-arvo lasketaan lämmönjohtavuusyhtälöstä. Hajoaminen osoitetaan laskevalla k:lla ajan myötä. Säännöllisillä mittauksilla (500–1 000 tunnin välein) voit tarkkailla vaipan rappeutumista ennen kuin se epäonnistuu visuaalisesti.

In-In situ -mittausmenetelmä
Pysyvässä tilassa olevan PFA-lämmittimen lämpövirta q (W/m^2) vaipan läpi määritetään sähkönsyötön ja lämmittimen pinta-alan perusteella (q=P_elec*η / A, missä η on lämmitysteho, tavallisesti 0,95–0,98 uppolämmittimillä). Nesteen lämpötila T neste mitataan kalibroidulla termoparilla. PFA:n ulkopinnan lämpötila, T-pinta, voidaan mitata jollakin seuraavista menetelmistä: (1) ohut-kalvotermopari, joka on liimattu vaippaan korkean lämpötilan teipillä ja lämpötahnalla (pistemittaus); (2) infrapunakamera (vaatii läpinäkyvän nesteen ja pääsyn); tai (3) vaippaan kiinnitetty vastuslämpötilan ilmaisin (RTD). Lämpötilaero PFA-seinän poikki on ΔT_PFA=T_surface_inner - T_surface_outer Sisäpinnan lämpötilaa ei kuitenkaan voida helposti mitata. Käyttämällä koko lämpötilan pudotusta metalliytimestä (T_core) nesteeseen: T_ydin ei myöskään ole tavoitettavissa. Käytännön tekniikka hyödyntää sitä tosiasiaa, että suurin este on itse PFA-seinä. Lämmönsiirron yhtälö järjestetään uudelleen muotoon q=(T_pinta_ulompi - T_fluid) × h missä h on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin. Mutta h on tuntematon ja vaihtelee. Mittaa sen sijaan T_surface_outer kahdella eri tehotasolla (q1 ja q2) identtisissä virtausolosuhteissa. Ero kumoaa h:n: ΔT_pinta=(q2 - q1) * (t_PFA/k) siis k=(q2 - q1) * t_PFA / ΔT_pinta. Differentiaalitekniikka ei vaadi T_core- tai h-tietoa.

Käytä lämmitintä, jossa on t_PFA=2.0 mm, q1=2.0 W/cm² (20 000 W/m²) ja q2=3.0 W/cm² (30 000 W/m²). Mittaa kunkin tehon T_pinta, T1=95 aste , T2=115 aste , T_fluid=80 aste (vakio) ΔT_pinta=20C Sitten k=(30 000-20 000) * .002 / {{0} 2 / {{0}. 20=1.0 W/mK Tämä on teknisesti mahdotonta (PFA k on 0,19-0,22). Ero paljastaa, että mitattu $\\Delta T_{pinta}$ sisältää h vaihtelut lämpötilan ja virtausolosuhteiden mukaan. Differentiaalitekniikka vaatii vakioh. Näin on harvoin. Tarkempi tapa on käyttää referenssilämmitintä, jossa on tunnettu, vakaa k (esim. tuore PFA-lämmitin tai metallilämmitin), joka on sijoitettu huonontuneen lämmittimen viereen. Mittaa molempien lämmittimien T_pinta samalla q:lla ja samoilla nesteolosuhteilla. Mitä suurempi vaurioituneen lämmittimen T-pinta on, lämpövastus on suurempi. k_degraded=k_reference * (T_surface_reference - T_fluid) / (T_surface_degraded - T_fluid) Tämän vertailevan menetelmän tarkkuus on ±10–15 prosenttia.

Odotettu k hajoaminen hapettavissa hapoissa
Hapettavan hapon pitoisuus Lämpötila ( aste ) Altistusaika (tuntia) Ensimmäinen k (W/m·K) Hajoanut k (W/m·K) Vähennys (%) Mekanismi
Typpihappo 30 % 90 5, 000 0.20 0.17-0.18 10-15 % Karbonyylin muodostuminen
Typpihappo 70 % 100 5,000 0.20 0.14-0.16 20-30 % Voimakasta pinnan hapettumista
Kromihappo 50 g/L 60 5,000 0.20 0.16-0.18 10-20% pintojen sulfonointi
Rikkihappo 96 % 120 5, 000 0.20 0.15-0.17 15-25% Sulfonointi + dehydrataatio
Rikkihappo 96 % 140 2000 0.20 0.12–0.14 30–40 % Vakavaa rappeutumista (ei suositella 5000 tunnin ajan)
Sekahappo (HNO₃/HF) 20/5 % 80 5, 000 0.20 0.16–0.18 10–20 % Synergistinen hyökkäys
Piraija (H 2 SO 4 / H 2 O 2 ) 3:1 120 1 000 (lyhyt käyttöikä) 0.20 0.10-0.12 40-50% Vakavaa hapettumista
Vaiheittainen mittausmenettely
Perusmittaus: Uudelle lämmittimelle mittaa k valmistajan hyväksymällä arvolla tai laboratoriomittauksella (ASTM E1530) näytteestä samasta ekstruusioerästä. Jos mahdollista, asenna vertailulämmitin (uusi) huoltolämmittimen rinnalle.

In{0}}asennus: PFA-pintaan on kiinnitetty 3 lämpöparia kuumimpaan ennustettuun kohtaan (yleensä 10-20 cm kylmästä päästä), keskipituuteen ja lähelle pohjaa. Käytä lämpötahnaa hyvän kontaktin saavuttamiseksi. Termopariliitos tulee eristää nesteestä pienellä silikonikumisuojuksella todellisen pintalämpötilan mittaamiseksi (nesteen virtaus ei vaikuta siihen). Vaihtoehtoisesti kosketukseton mittaus voidaan tehdä käyttämällä infrapunakameraa näkölasin läpi.

Vakaan tilan olosuhteet ovat: Käytä säiliötä normaalissa asetuspisteessä ja virtaa vähintään 1 tunti saavuttaaksesi lämpötasapainon. 3. Kirjaa PFA:n pintalämpötila 3 pisteessä, nesteen lämpötila (useita paikkoja), sähköteho (jännite x virta) Laske todellinen lämpövirta: q=(V×I×η)/A, missä η on yleensä säiliön lämpöhäviökerroin (seinämien läpi). 0,90–0,95 hyvin -eristetyille säiliöille, 0,80–0,85 eristämättömille säiliöille). A=π × D × L_sub

Laske näennäinen k: t_PFA * (T_core - T_surface)=q / k Koska T_core on tuntematon, tulisi käyttää referenssilämmittimen lähestymistapaa: T_surface_ref=T_fluid + q*(t_PFA/k_ref + 1/h) viitearvolle k_qref, T_sama lämmitin. T_surface_degraded=T_fluid + q × (t_PFA/k_degraded + 1/h) huonontuneelle lämmittimelle. Vähennä kaksi yhtälöä (sama q ja h): T_pinta_degraded - T_surface_ref=qx t_PFA x (1/k_degraded - 1/k_ref) Ratkaise k_degraded=1 / (1/k_surface_ref_4}(T) T_surface_ref) / (q * t_PFA))

Esimerkkilaskelma: k_ref=0.20 W/m·K, t_PFA=0.002 m, q=30,000 W/m2 (3 W/cm2). T_pinnan_viite=95 aste , T_surface_degraded=108 aste , T_fluid=80 aste . Sitten $1/k_{heikentynyt}=1/0.20 + (108-95)/(30 000 \\times 0,002)=5 + 13/60=5.217$ $k_{heikentynyt}=1/5.217=0.192$ Reduction/m·Kmal. Jos T_pinta_degraded=125 aste, niin 1/k_degraded=5+(125-95)/(60)=5+30/60=5.5, k_degraded=0.182 W/m·K, vähennys=9 %

Mitä tehdä tuloksilla
K:n lasku 10–15 % merkitsee huomattavaa huononemista. Lämmittimen käyttöä voidaan jatkaa, mutta se tulee tarkastaa kolmen kuukauden välein. 15-25 prosentin pudotus viittaa huomattavaan heikkenemiseen. 6-12 kuukauden kuluttua on suositeltavaa vaihtaa lämmitin. Ja 25 prosentin vähennys tarkoittaa vakavaa huononemista. PFA saattaa olla lähellä vikaa, joten vaihda lämmitin heti. Vähennys k osoittaa, että sisäpinnan lämpötila on suunniteltua korkeampi ja hajoaminen kiihtyy. Jos mitattu k jatkaa laskuaan kiihtyvällä tahdilla (esim. 10 % lasku ensimmäisten 5 000 tunnin aikana, 15 % lasku seuraavien 2 000 tunnin aikana), lämmitin on vikakierteessä ja se on vaihdettava ennaltaehkäisevästi.

Mikäli laboratoriossa tai laitoksessa ei ole vertailulämmitintä, yksi vaihtoehto on mitata PFA:n pintalämpötila asetetulla teholla ja verrata sitä uuden lämmittimen lämpötilaan. Pintalämpötilan jatkuva nousu ajan myötä (vakioteholla, nesteen lämpötilalla ja virtauksella) kuvaa k-heikkenemistä. 2,0 mm:n seinälle 3 W/cm2:n T-pinnan 10 asteen lisäys johtaa noin 0,01–0,015 W/m·K (5–7 %) ak-vähennykseen . 20 asteen lisäys vastaa 10–15 %:n vähennystä. Lämmittimet on vaihdettava, kun lämpötila nousee 30 astetta tai enemmän.

Yhteenveto: Säännöllinen in{0}}situ k -mittaus havaitsee piilotetun heikkenemisen
The thermal conductivity of a PFA sheath is reduced by 10-30% after 5,000 hours of exposure to oxidising acids (nitric, chromic, concentrated sulphuric) at elevated temperatures. This degradation can be assessed in-situ using a comparison approach with a reference heater with known stable k or by monitoring the increase of PFA surface temperature over time at constant operating circumstances. If the drop is >15 %, se on merkki vakavasta heikkenemisestä ja sen pitäisi käynnistää suunniteltu vaihto 6-12 kuukauden kuluessa. Jos vähennys > 25 %, tarvitaan nopea vaihto. Säännöllisillä mittauksilla (500–1 000 tunnin välein voimakkaassa hapetustoiminnassa) varoitetaan varhainen vaipan hajoamisesta ennen ilmeistä halkeilua tai rakkuloita. Tärkeitä prosesseja varten aseta vertailulämmitin jokaisen käyttölämmittimen viereen jatkuvan valvonnan mahdollistamiseksi. Vertailulämmittimen hinta (200-500 dollaria) on vähäpätöinen verrattuna kustannuksiin, jotka aiheutuvat odottamattomasta viasta, joka johtaa kylvyn saastumiseen ja prosessin häiriintymiseen. Insinöörien, joilla ei ole pääsyä vertailulämmittimiin, on määräajoin määritettävä näennäinen pintalämpötilan nousu ja vaihdettava lämmittimet, kun lämpötilan nousu saavuttaa 20 astetta perusarvon yläpuolella samoissa käyttöolosuhteissa. Lämmönjohtavuuden heikkeneminen on varhainen varoitus lähestyvästä PFA-häiriöstä – älä unohda sitä.