Jaká je maximální povolená tloušťka stěny pro PFA (Perfluoralkoxy) plášťový ohřívač používaný k udržení 160 stupňů v 70% roztoku kyseliny sírové při tlaku 2 bary, aby se zabránilo tepelné degradaci polymeru na rozhraní odporového drátu?

PFA (perfluoralkoxy) ohřívače pláště musí být navrženy pro 70% kyselinu sírovou při 160 stupních a tlaku 2 bary tak, aby teplota na rozhraní k odporovému drátu zůstala pod trvalou provozní teplotou polymeru 260 stupňů. Teplotní spád přes stěnu PFA je dán rovnicí ΔT=(q × t) / k, kde q je tepelný tok (W/m²), t je tloušťka stěny (m) a k je tepelná vodivost PFA (0,25 W/m·K). Pro typickou hustotu výkonu 8 W/cm2 (80 000 W/m2) a teplotu kyseliny 160 stupňů nejvyšší přípustná tloušťka stěny pro zajištění teploty drátu<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

Mechanismus tepelného rozkladu PFA pouzder

Teplo generované odporovým drátem musí vést přes stěnu PFA do kyseliny. T_wire=T_acid + ΔT je teplota na rozhraní drátu PFA začíná měknout při 260 stupních a začíná klesat nad 300 stupňů . Pro dlouhodobou spolehlivost by teplota rozhraní vodiče neměla překročit 260 stupňů. Tepelný tok q se udává v hustotě výkonu (W/cm2) a je funkcí jmenovitého výkonu ohřívače a plochy povrchu .

Teplota drátu vs tloušťka stěny kvantitativní

Při 160 stupních, hustota výkonu 8 W/cm² (80 000 W/m²) pro 70 % H₂SO₄:

Tloušťka stěny (mm) ΔT napříč PFA (stupně) Teplota drátu (stupně) Stav PFA 0.15 48 208 Bezpečný 0.20 64 224 Bezpečný 0.25 80 240 Bezpečný 0.31 100 260 Maximální přípustný 0.35 112 272 Začíná degradace 0.40 128 288 Změkčení 0.50 160 320Silné poškození
Maximální přípustná tloušťka stěny při různých výkonových hustotách

Následující tabulka ukazuje maximální povolenou tloušťku stěny pro ohřívače pláště PFA v 70% H2SO4 při 160 stupních jako funkci hustoty výkonu.

Hustota výkonu (W/cm2) ΔT na mm tloušťky (stupeň /mm) Max. tloušťka stěny pro 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
Technické aspekty 1.

Tloušťka stěny musí být také schopna odolat vnitřnímu tlaku 2 bar (pokud je ohřívač trubkový) a manipulačnímu zatížení a poskytnout požadovanou mechanickou pevnost. Pro tlaky vyšší než 1 bar se doporučuje minimální stěna 0,3 mm bez ohledu na tepelné výpočty. Pro tuto aplikaci (2 bary) je tloušťka stěny 0,3 – 0,35 mm kompromisem mezi tepelnými a mechanickými požadavky. Pokud jsou stěny silnější, je třeba snížit hustotu výkonu nebo přidat rozvaděč tepla.

Jiné metody

Pokud potřebná tloušťka stěny pro mechanickou integritu překročí tepelný limit, lze návrh změnit:

Snížení hustoty výkonu (ohřívač s delším nebo větším průměrem)

Použití tepelně vodivějšího materiálu (PEEK má k=0.32 W/m·K, o něco lepší)

Vložení kovového rozvaděče tepla do pláště PFA

Použití polymeru s vyšší teplotou (žádný není k dispozici pro toto chemické prostředí nad 260 stupňů)

Dobře informovaná specifikace

Pro udržení kontaktu drátu pod 260 stupňů je maximální tloušťka stěny ohřívače pláště PFA s hustotou výkonu 8 W/cm2 v 70% kyselině sírové při 160 stupních a tlaku 2 bar 0,31 mm. Aby byla zaručena mechanická spolehlivost, měla by být použita buď výztužná vrstva, nebo by měla být hustota výkonu snížena na 6 W/cm², což umožňuje tloušťku stěny 0,42 mm. Technik řídí tloušťku stěny a hustotu výkonu, aby se zabránilo tepelné degradaci PFA na rozhraní s odporovým drátem.