Miks tekivad keevasse lämmastikhappepaaki horisontaalsesse asendisse paigaldatud PFA-soojendi ülapinnale 6 kuu jooksul praod?

Horisontaalselt paigaldatud PFA-soojendil keevasse lämmastikhappepaaki (nt 20–30% HNO₃ 105–110 kraadi juures) tekivad regulaarselt 3–6 kuu jooksul pealispinnale ümbermõõdulised praod, samas kui vertikaalselt paigaldatud küttekeha võib sama kasutusega kesta 2–3 aastat. Kiirenenud oksüdatiivne riknemine, lokaalne soojenemine ja aurukattega katmine aitavad kõik kaasa rikkele. PFA-d isoleeriv pidev aurukiht tekib, kui keemismullid tõusevad üles ja kogunevad horisontaalse toru ülaosasse. Kui põhja veel jahutab vedelik, tõuseb ülemise pinna temperatuur tavapäraselt 115–120 kraadilt 180–250 kraadini. PFA oksüdeerub tugevalt lämmastikhappe aurude toimel, mis on suletud teki taga. Tulemuseks on kiire rabestumine, pragunemine ja lõpuks perforatsioon. Keevate hapete puhul on horisontaalne orientatsioon sisuliselt sobimatu; vertikaalne paigaldamine on väga soovitatav.

Horisontaalsete küttekehade aurukatte mehhanism
Tuumakeemise ajal ilmuvad kogu kerise pinnale aurumullid. Mullid eralduvad kiiresti ja tõusevad vertikaalsel soojendil, pühkides pinda ja säilitades kontakti vedelikuga. Horisontaalse küttekeha alumisel poolel tekkinud mullid tõusevad üles ja mõjutavad ülemist poolt, kus need ühinevad, moodustades pideva või pool{2}}pideva aurukihi. Aurukatte all väheneb soojusülekandetegur 5000–10 000 W/m²·K (vedelik keeb) 100–300 W/m²·K (aurukile). Aurukatte all olev pinnatemperatuur tõuseb väärtuseni T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 kraadi püsiva soojusvoo korral 3 W/cm² (30 000 W/m²). See on kõrgem kui PFA ohutu pidevkasutustemperatuur 200 kraadi ja läheneb selle sulamistemperatuurile 305 kraadi. Termilise stressi all PFA pehmeneb, oksüdeerub kiiresti lämmastikhappe aurus ja lõheneb.

Vahelduv niiskus põhjustab tsüklilist pinget ka pealmisel pinnal. Temperatuur kõigub iga paari sekundi järel 110 kraadi ja 260 kraadi vahel, kui aurutekk koguneb ja kokku vajub. See termiline šokk tekitab ümbermõõdulisi pragusid tuhandete tsüklite (päevade kuni nädalate) jooksul.

Horisontaalse ja vertikaalse jõudluse võrdlus 25% HNO₃ keetmisel 108 kraadi juures
Orientatsioon Pragunemise algus (kuudes) Ülemise pinna temperatuur ( kraad ) Alumise pinna temperatuur ( kraad ) Domineeriv rikkerežiim Suhteline eluiga Horisontaalne (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Ümbermõõdu pragusid ülaosas 1,0 × Horisontaalne sundringlusega (0 × 5 m/s) 160–190 130–140 8–12 Üldine halvenemine 2,0 × vertikaalne (sama kütteseade) 115–125 115–125 24–366–8 aastat ühtlast vananemist
Horisontaalne aurukaitsega (ülevalt perforeeritud metallkate) 130–150 120–130 18–24 Korrosioon kilbi servades 4–5× Horisontaalne, vähendatud kuni 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Ikka praod Accele Accele 3 × Accele
Üks võimas oksüdeeriv aine on lämmastikhape. Ketiotsi oksüdeerides ja karbonüülfluoriidrühmi moodustades lõhustab HNO₃ aur PFA kiiresti 200 kraadi juures. Pinnale tekivad mikropraod ja see muutub rabedaks (kõvadus tõuseb 66-lt 78-le Shore D). Teisest küljest lagunevad mitte-oksüdeerivad happed või puhas vesi aeglasemalt. Lämmastikhappe ja aurukatte kombineerimisel tekib isekiirenev rikketsükkel: aurukate tõstab temperatuuri, mis kiirendab oksüdeerumist, mis suurendab pinna karedust, mis soodustab mullide nakkumist, mis suurendab aurukate.

Näide väljal
2000-liitrisesse keevasse 25% HNO₃ paaki (108 kraadi) pani keemiatehas horisontaalselt 6 kW PFA-soojendi. Neli kuud hiljem põhjustas maandusrike küttekeha väljalülitumise. Kontrollimisel leiti ülemiselt pinnalt 5 cm ümbermõõduline lõhe, millel oli märkimisväärne rabe ja kollasus. Sama tehase sama paagi vertikaalne kütteseade oli kolmkümmend kuud veatult töötanud. Pärast horisontaalse küttekeha asendamist vertikaalse paigaldusega ei esinenud rajatisel enam varaseid rikkeid. Igasuguse keeva happeteenuse puhul on horisontaalne paigaldamine nüüd keelatud.

Vajalike horisontaalsete paigalduste vähendamine
Kolm astet vähendavad pealispinna pragunemise ohtu, kui horisontaalset orientatsiooni ei saa vältida (madalad mahutid, ruumipiirangud):

Paigaldage aurukaitse: Pideva aurukatte vältimiseks ja mullide ühinemise häirimiseks sisestage perforeeritud roostevabast terasest plaat, millel on 5 mm augud ja 40% avatud ala 10–20 mm kerise kohale. Varjestus töötab võrreldaval temperatuuril, kuid kuna see on metallist, ei saa see oksüdeeruda.

Madalam vattihedus: isegi osalise aurukatte korral hoidke ülemise pinna temperatuur alla 150 kraadi, töötades võimsusel 1,5 W/cm² või sellega võrdne.

Kaasake sundtsirkulatsioon: enne mullide ühinemist pühitakse need ülevalt pinnalt minema segisti või retsirkulatsioonipumba abil, mis liigub kiirusega üle 0,3 m/s.

Iganädalane 180-kraadine küttekeha pöörlemine jaotab soojuskoormust, kuid lükkab rikke lihtsalt edasi.

Kokkuvõtteks võib öelda, et pealispinna kiire pragunemise põhjustab horisontaalne paigaldamine keevasse lämmastikhappesse.
Kolme kuni kuue kuu jooksul põhjustab aurukate tekitavad ümbermõõdulised lõhed PFA-soojendi pealmisele pinnale, mis asetatakse horisontaalselt keevasse lämmastikhappepaaki. Kui mullid kogunevad ülaossa, tekib isoleeriv aurukiht, mis tõstab PFA temperatuuri üle 200 kraadi ning kiirendab termilise šoki pragunemist ja oksüdatiivset lagunemist. Aurukatte eemaldamisega pikendab vertikaalne orientatsioon küttekeha eluiga kahe kuni kolme aastani. Keevate hapetega tegelemisel tuleks vältida horisontaalset paigaldamist. Kasutage sundtsirkulatsiooni, vähendage vattihedust või paigaldage aurukaitsed, kui te ei saa seda vältida. Horisontaalne küttekeha ülemine pind keevas happes on katastroofi retsept. Vahetage seda sageli või paigaldage see vertikaalselt.