For en PFA (Perfluoroalkoxy) kappevarmer som brukes til å opprettholde 160 grader i en 70 % svovelsyreløsning ved 2 bar trykk, hva er den maksimale tillatte veggtykkelsen for å forhindre termisk nedbrytning av polymeren ved motstandstrådgrensesnittet?

PFA (perfluoroalkoxy) kappevarmere må konstrueres for 70 % svovelsyre ved 160 grader og 2 bar trykk, slik at temperaturen ved grensesnittet til motstandstråden holder seg under den kontinuerlige brukstemperaturen til polymeren på 260 grader. Temperaturfallet over PFA-veggen er gitt av ligningen ΔT=(q × t) / k, der q er varmefluksen (W/m²), t er veggtykkelsen (m), og k er den termiske ledningsevnen til PFA (0,25 W/m·K). For en typisk effekttetthet på 8 W/cm2 (80 000 W/m2) og en bulksyretemperatur på 160 grader er den høyeste tillatte veggtykkelsen for å sikre ledningstemperaturen<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 dekomponeringsmekanisme av PFA-kapper

Varmen som genereres av motstandstråden må ledes gjennom PFA-veggen til syren. T_wire=T_acid + ΔT er temperaturen ved grensesnittet til ledningen. PFA begynner å myke ved 260 grader og begynner å degraderes over 300 grader. For langsiktig pålitelighet bør ledningsgrensesnitttemperaturen ikke overstige 260 grader. Varmefluksen q er gitt i effekttetthet (W/cm2) og er en funksjon av varmerens effekt og overflateareal.

Trådtemperatur vs veggtykkelse Kvantitativ

Ved 160 grader, effekttetthet på 8 W/cm² (80 000 W/m²) for 70 % H₂SO₄:

Veggtykkelse (mm) ΔT over PFA ( grad ) Trådtemperatur ( grad ) PFA Tilstand 0.15 48 208 Trygg 0.20 64 224 Trygg 0.25 80 240 Trygg 0.31 100 260 Maksimalt tillatt 0.35 112 272 Nedbrytning begynner 0.40 128 288 Mykgjøring 0.50 160 320 Alvorlig forringelse av
Maksimal tillatt veggtykkelse ved forskjellige effekttettheter

Følgende tabell viser maksimal tillatt veggtykkelse for PFA-mantelvarmere i 70 % H2SO4 ved 160 grader som en funksjon av effekttetthet.

Effekttetthet (W/cm2) ΔT per mm tykkelse (grad /mm)Maks veggtykkelse 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 hensyn 1.

Veggtykkelsen må også kunne motstå 2 bars indre trykk (hvis varmeren er et rør) og håndtere belastninger og gi nødvendig mekanisk styrke. For trykk høyere enn 1 bar anbefales en minimum vegg på 0,3 mm, uavhengig av termiske beregninger. For denne applikasjonen (2 bar) er en veggtykkelse på 0,3 – 0,35 mm et kompromiss mellom termiske og mekaniske krav. Hvis veggene er tykkere, må krafttettheten reduseres eller en varmespreder legges til.

Andre metoder

Hvis den nødvendige veggtykkelsen for mekanisk integritet overskrider den termiske grensen, kan designet endres ved:

Redusere effekttettheten (varmer med lengre eller større diameter)

Bruk av et mer termisk ledende materiale (PEEK har k=0.32 W/m·K, litt bedre)

Sette inn varmespreder av metall i PFA-kappen

Ved å bruke en polymer med høyere temperatur (ingen er tilgjengelig for dette kjemiske miljøet over 260 grader)

En godt informert spesifikasjon

For å holde ledningskontakten under 260 grader, er den maksimale veggtykkelsen til en PFA-mantelvarmer med en effekttetthet på 8 W/cm2 i 70 % svovelsyre ved 160 grader og 2 bar trykk 0,31 mm. For å garantere mekanisk pålitelighet bør enten et forsterkende lag brukes eller effekttettheten reduseres til 6 W/cm², noe som tillater en veggtykkelse på 0,42 mm. Ingeniøren kontrollerer veggtykkelse og effekttetthet for å unngå varmenedbrytning av PFA ved grensesnittet med motstandstråden.