برای گرم کن غلاف PFA (پرفلورالکوکسی) که برای نگهداری 160 درجه در محلول اسید سولفوریک 70 درصد در فشار 2 بار استفاده می شود، حداکثر ضخامت دیوار مجاز برای جلوگیری از تخریب حرارتی پلیمر در رابط سیم مقاومت چقدر است؟

هیترهای غلاف PFA (پرفلوروآلکوکسی) باید برای اسید سولفوریک 70 درصد در فشار 160 درجه و فشار 2 بار طراحی شوند تا دما در سطح مشترک به سیم مقاومت کمتر از دمای سرویس مداوم پلیمر 260 درجه باشد. افت دما در سراسر دیوار PFA با معادله ΔT=(q × t) / k داده می شود، که در آن q شار حرارتی (W/m²)، t ضخامت دیواره (m) و k هدایت حرارتی PFA (0.25 W/m·K) است. برای چگالی توان معمولی 8 W/cm2 (80000 W/m2) و دمای اسید حجیم 160 درجه، بالاترین ضخامت دیواره مجاز برای اطمینان از دمای سیم<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

مکانیسم تجزیه حرارتی غلاف PFA

گرمای تولید شده توسط سیم مقاومت باید از طریق دیواره PFA به اسید هدایت شود. T_wire=T_acid + ΔT دمایی است که در سطح مشترک سیم PFA در 260 درجه شروع به نرم شدن می کند و در بالای 300 درجه شروع به کاهش می کند. برای اطمینان طولانی مدت دمای رابط سیم نباید از 260 درجه تجاوز کند. شار حرارتی q بر حسب چگالی توان (W/cm2) داده می‌شود و تابعی از درجه قدرت بخاری و مساحت سطح آن است.

دمای سیم در مقابل ضخامت دیوار کمی

در 160 درجه، چگالی توان 8 W/cm² (80000 W/m²) برای 70% H2SO4:

ضخامت دیوار (میلی متر) ΔT در سراسر PFA ( درجه ) دمای سیم ( درجه ) وضعیت PFA 0.15 48 208 ایمن 0.20 64 224 ایمن 0.25 80 240 ایمن 0.31 100 260 حداکثر مجاز 0.35 112 272 تخریب شروع می شود 0.40 128 288 نرم شدن 0.50 160 320وخامت شدید
حداکثر ضخامت دیوار مجاز در چگالی توان مختلف

جدول زیر حداکثر ضخامت دیواره مجاز برای بخاری های غلاف PFA را در 70% H2SO4 در 160 درجه به عنوان تابعی از چگالی توان نشان می دهد.

چگالی توان (W/cm2) ΔT در هر میلی متر ضخامت (درجه / میلی متر) حداکثر ضخامت دیوار برای 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
ملاحظات مهندسی 1.

ضخامت دیوار همچنین باید بتواند در برابر فشار داخلی 2 بار (اگر هیتر لوله ای) و بارهای حمل و نقل مقاومت کند و استحکام مکانیکی مورد نیاز را بدهد. برای فشارهای بالاتر از 1 بار، بدون توجه به محاسبات حرارتی، حداقل دیوار 0.3 میلی متر توصیه می شود. برای این کاربرد (2 بار) ضخامت دیواره 0.3 - 0.35 میلی متر یک مصالحه بین نیازهای حرارتی و مکانیکی است. اگر دیوارها ضخیم تر هستند، باید چگالی توان را کاهش داد یا یک پخش کننده حرارت اضافه کرد.

سایر روش ها

اگر ضخامت دیواره لازم برای یکپارچگی مکانیکی از حد حرارتی فراتر رود، طرح را می توان با موارد زیر تغییر داد:

کاهش چگالی توان (بخاری با قطر بلندتر یا بزرگتر)

استفاده از مواد رسانای حرارتی بیشتر (PEEK k=0.32 W/m·K دارد، کمی بهتر است)

قرار دادن پخش کننده حرارت فلزی در غلاف PFA

استفاده از یک پلیمر با دمای بالاتر (هیچ کدام برای این محیط شیمیایی بالای 260 درجه موجود نیست)

مشخصات کاملا آگاهانه

برای حفظ تماس سیم در زیر 260 درجه، حداکثر ضخامت دیواره بخاری غلاف PFA با چگالی توان 8 W/cm2 در اسید سولفوریک 70 درصد در دمای 160 درجه و فشار 2 بار 0.31 میلی متر است. برای تضمین قابلیت اطمینان مکانیکی، باید از یک لایه تقویت کننده استفاده شود یا چگالی توان باید به 6 وات بر سانتی متر مربع کاهش یابد که ضخامت دیواره 0.42 میلی متر را امکان پذیر می کند. مهندس ضخامت دیوار و چگالی توان را برای جلوگیری از تخریب حرارتی PFA در رابط با سیم مقاومت کنترل می کند.