Hvad er den maksimalt tilladte vægtykkelse for at forhindre termisk nedbrydning af polymeren ved modstandstrådsgrænsefladen til en PFA (perfluoralkoxy) kappevarmer, der bruges til at opretholde 160 grader i en 70 % svovlsyreopløsning ved et tryk på 2 bar?

PFA (perfluoroalkoxy) kappevarmere skal designes til 70 % svovlsyre ved 160 grader og 2 bar tryk, således at temperaturen ved grænsefladen til modstandstråden forbliver under polymerens kontinuerlige driftstemperatur på 260 grader. Temperaturfaldet over PFA-væggen er givet af ligningen ΔT=(q × t) / k, hvor q er varmefluxen (W/m²), t er vægtykkelsen (m), og k er PFA's varmeledningsevne (0,25 W/m·K). For en typisk effekttæthed på 8 W/cm2 (80.000 W/m2) og en bulksyretemperatur på 160 grader den højest tilladte vægtykkelse for at sikre trådtemperaturen<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

Termisk nedbrydningsmekanisme af PFA-skeder

Varmen genereret af modstandstråden skal lede gennem PFA-væggen til syren. T_wire=T_acid + ΔT er temperaturen ved grænsefladen af ​​tråden. PFA begynder at blødgøre ved 260 grader og begynder at nedbrydes over 300 grader. For langsigtet pålidelighed bør ledningsgrænsefladetemperaturen ikke overstige 260 grader. Varmefluxen q er angivet i effekttæthed (W/cm2) og er en funktion af varmelegemets nominelle effekt og overfladeareal.

Trådtemperatur vs vægtykkelse Kvantitativ

Ved 160 grader, effekttæthed på 8 W/cm² (80.000 W/m²) for 70 % H₂SO₄:

Vægtykkelse (mm) ΔT på tværs af PFA ( grad ) Trådtemperatur ( grad ) PFA Tilstand 0.15 48 208 Sikker 0.20 64 224 Sikker 0.25 80 240 Sikker 0.31 100 260 Maksimalt tilladt 0.35 112 272 Nedbrydning begynder 0.40 128 288 Blødgøring 0.50 160 320 Alvorlig forringelse af
Maksimal tilladt vægtykkelse ved forskellige effekttætheder

Følgende tabel viser den maksimalt tilladte vægtykkelse for PFA-kappevarmere i 70 % H2SO4 ved 160 grader som funktion af effekttæthed.

Effekttæthed (W/cm2) ΔT pr. mm tykkelse (grad /mm) Maks. vægtykkelse for 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
Tekniske overvejelser 1.

Vægtykkelsen skal også kunne modstå det 2 bar indvendige tryk (hvis varmelegemet er et rør) og håndtere belastninger og give den nødvendige mekaniske styrke. Ved tryk højere end 1 bar anbefales en minimumsvæg på 0,3 mm, uanset termiske beregninger. Til denne anvendelse (2 bar) er en vægtykkelse på 0,3 – 0,35 mm et kompromis mellem termiske og mekaniske krav. Hvis væggene er tykkere, skal effekttætheden reduceres eller en varmespreder tilføjes.

Andre metoder

Hvis den nødvendige vægtykkelse for mekanisk integritet overstiger den termiske grænse, kan designet ændres ved:

Reduktion af effekttætheden (varmer med længere eller større diameter)

Brug af et mere termisk ledende materiale (PEEK har k=0.32 W/m·K, lidt bedre)

Indsættelse af metalvarmespreder i PFA-kappen

Brug af en polymer med højere temperatur (ingen er tilgængelig for dette kemiske miljø over 260 grader)

En velinformeret specifikation

For at holde ledningskontakten under 260 grader er den maksimale vægtykkelse for en PFA-kappevarmer med en effekttæthed på 8 W/cm2 i 70 % svovlsyre ved 160 grader og et tryk på 2 bar 0,31 mm. For at garantere mekanisk pålidelighed skal der enten anvendes et forstærkningslag, eller effekttætheden skal reduceres til 6 W/cm², hvilket tillader en vægtykkelse på 0,42 mm. Ingeniøren kontrollerer vægtykkelse og effekttæthed for at undgå varmenedbrydning af PFA ved grænsefladen med modstandstråden.