За PFA (перфлуороалкокси) нагревател на обвивка, използван за поддържане на 160 градуса в 70% разтвор на сярна киселина при 2 бара налягане, каква е максимално допустимата дебелина на стената за предотвратяване на термичното разграждане на полимера при интерфейса на съпротивителния проводник?

Нагревателите на PFA (перфлуороалкокси) обвивка в 70% сярна киселина при 160 градуса и 2 бара налягане трябва да бъдат конфигурирани да поддържат температурата на интерфейса на съпротивителния проводник на или под непрекъснатата работна температура на полимера при 260 градуса. Падането на температурата на стената на PFA се дава от ΔT=(q × t) / k, където q е топлинен поток (W/m²), t е дебелина на стената (m) и k е топлопроводимост на PFA (0,25 W/m·K). За типична плътност на мощността от 8 W/cm2 (80 000 W/m2) и насипна киселинна температура от 160 градуса, най-високата разрешена дебелина на стената за поддържане на температурата на проводника под 260 градуса е 0,31 mm. По-дебелите стени биха довели до контакт с проводник над 260 градуса и омекване и влошаване на полимера.

Механизъм на термично разграждане на кожуха от PFA

Топлината, генерирана от съпротивителния проводник, трябва да бъде прехвърлена през PFA стената към киселината. Температура на интерфейса на проводника T_wire=T_acid + ΔT. PFA започва да омеква около 260 градуса и се разлага над 300 градуса. За да се постигне дългосрочна-надеждност, температурата на кабелния интерфейс не трябва да надвишава 260 градуса. Топлинният поток q се получава от плътността на мощността (W/cm2), която зависи от номиналната мощност на нагревателя и повърхностната площ.

Дебелина на стената и количествена температура на проводника

За 70% H2SO4 при 160C (8W/cm2=80,000 W/m2):

Дебелина на стената (mm) ΔT през PFA (градуси) Температура на проводника (градуси) PFA Състояние 0.15 48 208 Безопасно 0.20 64 224 Безопасно 0.25 80 240 Безопасно 0.31 100 260 Максимално допустимо 0.35 112 272 Разграждане започва 0.40 128 288 Омекотяване 0.50 160 320Огромно влошаване
Максимално допустима дебелина на стената за различни плътности на мощността

Следващата таблица показва максимално допустимата дебелина на стената за нагревател на PFA обвивка в 70% H 2 SO 4 при 160 градуса спрямо плътността на мощността.

Плътност на мощността (W/cm²) ΔT на mm дебелина (градус /mm) Максимална дебелина на стената за T_wire<260°C (mm) 5 20 0.50
6 24 0.42 7 28 0.36 8 32 0.31 9 36 0.28 10 40 0.25 12 48 0.21
Инженерни съображения

Дебелината на стената трябва да е достатъчна, за да издържи вътрешното налягане от 2 бара (ако нагревателят е тръбен) и натоварването при работа. За температури над 1 bar се препоръчва минимална стена от 0,3 mm независимо от топлинните изчисления. За това приложение (2 бара) дебелина на стената от 0,3–0,35 mm е баланс между топлинни и механични изисквания. Ако стените са по-дебели, тогава ще трябва да се намали плътността на мощността или да се добави разпределител на топлина.

Алтернативни избори

Ако дебелината на стената, необходима за механична цялост, надвишава термичната граница, дизайнът може да се коригира чрез:

Намаляване на плътността на мощността (нагревател с по-дълъг или по-голям диаметър)

Използвайте по-топлопроводимо вещество (PEEK има k=0.32 W/mK, малко по-добре)

Поставяне на метален разпределител на топлина в PFA обвивката

Използвайте полимер с по-висока температура (няма наличен над 260 градуса за тази химическа среда)

Познаващи подробности

Като пример, за нагревател на PFA обвивка в 70% сярна киселина при 160 градуса, с 2 бара налягане и 8 W/cm2 плътност на мощността, посочете максимална дебелина на стената от 0,31 mm, за да поддържате контакта на проводника под 260 градуса. Ако се изисква механична надеждност, нанесете подсилващ слой или намалете плътността на мощността до 6 W/cm² и стената може да бъде 0,42 mm. Инженерът контролира дебелината на стената и плътността на мощността, за да избегне термичното разграждане на PFA на интерфейса със съпротивителния проводник.