Kolikšna je največja dovoljena debelina stene za grelnik plašča PFA (perfluoroalkoksi), ki se uporablja za vzdrževanje 160 stopinj v 70-odstotni raztopini žveplove kisline pri tlaku 2 bara, da se prepreči toplotna razgradnja polimera na vmesniku uporovne žice?

Grelniki plašča PFA (perfluoroalkoksi) morajo biti zasnovani za 70 % žveplovo kislino pri 160 stopinjah in tlaku 2 bara, tako da temperatura na vmesniku z uporovno žico ostane pod stalno delovno temperaturo polimera 260 stopinj. Padec temperature čez steno PFA je podan z enačbo ΔT=(q × t) / k, kjer je q toplotni tok (W/m²), t debelina stene (m) in k toplotna prevodnost PFA (0,25 W/m·K). Za tipično gostoto moči 8 W/cm2 (80000 W/m2) in temperaturo kisline v razsutem stanju 160 stopinj je najvišja dovoljena debelina stene, ki zagotavlja temperaturo žice.<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

Mehanizem toplotne razgradnje PFA plaščev

Toplota, ki jo ustvari uporovna žica, mora prevajati skozi steno PFA do kisline. T_žica=T_kislina + ΔT je temperatura na vmesniku žice PFA se začne mehčati pri 260 stopinjah in začne padati nad 300 stopinjami. Za dolgoročno zanesljivost temperatura vmesnika žice ne sme preseči 260 stopinj. Toplotni tok q je podan v gostoti moči (W/cm2) in je funkcija nazivne moči grelnika in površine.

Temperatura žice glede na debelino stene kvantitativno

Pri 160 stopinjah gostota moči 8 W/cm² (80.000 W/m²) za 70 % H₂SO₄:

Debelina stene (mm) ΔT čez PFA (stopinja) Temperatura žice (stopinja) PFA Stanje 0.15 48 208 Varno 0.20 64 224 Varno 0.25 80 240 Varno 0.31 100 260 Največja dovoljena 0.35 112 272 Razgradnja se začne 0.40 128 288 Mehčanje 0.50 160 320Hudo poslabšanje
Največja dovoljena debelina stene pri različnih gostotah moči

Naslednja tabela prikazuje največjo dovoljeno debelino stene za grelnike s PFA plaščem v 70 % H2SO4 pri 160 stopinjah kot funkcijo gostote moči.

Gostota moči (W/cm2) ΔT na mm debeline (stopinja/mm) Največja debelina stene za T_wire<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
Tehnični vidiki 1.

Debelina stene mora prenesti tudi notranji tlak 2 bara (če je grelec cev) in obremenitve pri rokovanju ter zagotoviti zahtevano mehansko trdnost. Za tlake, višje od 1 bara, je priporočena minimalna stena 0,3 mm, ne glede na toplotne izračune. Za to uporabo (2 bara) je debelina stene 0,3 – 0,35 mm kompromis med toplotnimi in mehanskimi zahtevami. Če so stene debelejše, je treba zmanjšati gostoto moči ali dodati razpršilnik toplote.

Druge metode

Če zahtevana debelina stene za mehansko celovitost presega toplotno mejo, se lahko zasnova spremeni z:

Zmanjšanje gostote moči (daljši ali večji grelnik premera)

Uporaba bolj toplotno prevodnega materiala (PEEK ima k=0.32 W/m·K, malo boljši)

Vstavljanje kovinskega razpršilnika toplote v plašč PFA

Uporaba polimera z višjo temperaturo (noben ni na voljo za to kemično okolje nad 260 stopinj)

Dobro obveščena specifikacija

Za ohranjanje kontakta z žico pod 260 stopinjami je največja debelina stene grelnika PFA plašča z gostoto moči 8 W/cm2 v 70 % žveplovi kislini pri 160 stopinjah in tlaku 2 bara 0,31 mm. Da bi zagotovili mehansko zanesljivost, je treba bodisi uporabiti ojačitveni sloj bodisi zmanjšati gostoto moči na 6 W/cm², kar omogoča debelino stene 0,42 mm. Inženir nadzira debelino stene in gostoto moči, da prepreči toplotno degradacijo PFA na vmesniku z uporovno žico.