PFA (perfluoroalkoksü) kestasoojendi puhul, mida kasutatakse 160 kraadi hoidmiseks 70% väävelhappe lahuses rõhul 2 baari, milline on maksimaalne lubatud seinapaksus, et vältida polümeeri termilist lagunemist takistustraadi liideses?

PFA (perfluoroalkoksü) mantelsoojendid peavad olema konstrueeritud 70% väävelhappe jaoks 160 kraadi ja 2 baari rõhuga nii, et temperatuur takistustraadi liideses jääks alla polümeeri pideva töötemperatuuri 260 kraadi. Temperatuuri langus üle PFA seina saadakse võrrandiga ΔT=(q × t) / k, kus q on soojusvoog (W/m²), t on seina paksus (m) ja k on PFA soojusjuhtivus (0,25 W/m·K). Tüüpilise võimsustiheduse 8 W/cm2 (80000 W/m2) ja 160-kraadise puistehappe temperatuuri jaoks on suurim lubatud seinapaksus traadi temperatuuri tagamiseks<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

PFA-kestade termilise lagunemise mehhanism

Takistustraadi poolt tekitatud soojus peab läbi PFA seina juhtima happeni. T_traat=T_hape + ΔT on temperatuur juhtme liideses PFA hakkab pehmenema 260 kraadi juures ja hakkab lagunema üle 300 kraadi. Pikaajalise töökindluse tagamiseks ei tohiks juhtmeliidese temperatuur ületada 260 kraadi. Soojusvoog q on antud võimsustiheduses (W/cm2) ja see on funktsioon küttekeha nimivõimsusest ja pindalast.

Traadi temperatuur vs seina paksus kvantitatiivne

160 kraadi juures võimsustihedus 8 W/cm² (80 000 W/m²) 70% H₂SO₂ korral:

Seina paksus (mm) ΔT risti PFA ( kraad ) Traadi temperatuur ( kraad ) PFA seisukord 0.15 48 208 Ohutu 0.20 64 224 Ohutu 0.25 80 240 Ohutu 0.31 100 260 Maksimaalne lubatud 0.35 112 272 Lagunemine algab 0.40 128 288 Pehmenemine 0.50 160 320Tõsine halvenemine
Suurim lubatud seinapaksus erinevate võimsustiheduste korral

Järgmises tabelis on näidatud võimsustiheduse funktsioonina 70% H2SO4 lahuses 70% H2SO4 kasutatav PFA kestasoojendite maksimaalne lubatud seinapaksus 160 kraadi juures.

Võimsustihedus (W/cm2) ΔT paksuse mm kohta (kraad /mm) T_juhtme maksimaalne seinapaksus<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
Tehnilised kaalutlused 1.

Seina paksus peab vastu pidama ka 2-baarisele siserõhule (kui küttekeha on toru) ja kandevõimet ning andma vajaliku mehaanilise tugevuse. Rõhu puhul, mis on suurem kui 1 bar, soovitatakse minimaalselt 0,3 mm seina, olenemata soojusarvutustest. Selle rakenduse jaoks (2 baari) on seinapaksus 0,3–0,35 mm kompromiss termiliste ja mehaaniliste nõuete vahel. Kui seinad on paksemad, tuleb võimsustihedust vähendada või lisada soojusjaotur.

Muud meetodid

Kui mehaanilise terviklikkuse jaoks vajalik seinapaksus ületab termilise piiri, saab konstruktsiooni muuta järgmiselt:

Võimsuse tiheduse vähendamine (pikema või suurema läbimõõduga küttekeha)

Soojust juhtiva materjali kasutamine (PEEK-il on k=0.32 W/m·K, veidi parem)

Metallist soojusjaoturi sisestamine PFA kesta

Kõrgema temperatuuriga polümeeri kasutamine (üle 260 kraadise keemilise keskkonna jaoks pole ühtegi saadaval)

Hästi informeeritud spetsifikatsioon

Traadi kontakti hoidmiseks alla 260 kraadi on 70% väävelhappes 8 W/cm2 võimsustihedusega 8 W/cm2 160 kraadi ja 2 baari rõhu juures 0,31 mm maksimaalne seinapaksus. Mehaanilise töökindluse tagamiseks tuleks kasutada kas tugevduskihti või vähendada võimsustihedust 6 W/cm²-ni, mis võimaldab seinapaksust 0,42 mm. Insener kontrollib seina paksust ja võimsustihedust, et vältida PFA kuumuse lagunemist takistusjuhtme liideses.