Как да измерим разграждането на термичната проводимост на място на PFA обвивка след 5000 часа в окислителни киселини?

С течение на времето окислителните киселини като азотна киселина (HNO₃), хромова киселина (H₂CrO₄) и концентрирана сярна киселина (H₂SO₄) разграждат PFA чрез включване на полярни функционални групи (карбонил, карбоксил, сулфонат) в полимерния скелет и аморфните области. Това химическо разграждане променя термичните транспортни свойства на PFA, като топлопроводимостта (k) обикновено намалява с 10-30% след 5000 часа при повишена температура. По-нисък k води до по-голям спад на температурата в обвивката за същия топлинен поток, което повишава температурата на вътрешната повърхност на PFA и допълнително ускорява разграждането в положителна обратна връзка. Подходът за сравнение за измерване на влошаването на топлопроводимостта на място не изисква отстраняване на нагревателя от експлоатация. Повърхностната температура на нагревателя се измерва при известен топлинен поток и температура на флуида и привидната k стойност се изчислява от уравнението за топлопроводимост. Деградацията се обозначава чрез намаляващо изчислено k с времето. Редовните измервания (на всеки 500 до 1000 часа) ви позволяват да наблюдавате дегенерацията на обвивката, преди тя да се повреди визуално.

Метод за-измерване на място
За PFA нагревател в постоянен режим на работа, топлинният поток q (W/m^2) през обвивката се определя от входящата електрическа мощност и повърхността на нагревателя (q=P_elec*η / A, където η е ефективността на нагряване, обикновено 0,95–0,98 за потопени нагреватели). Температурата на течността T fluid се измерва с калибрирана термодвойка. Температурата на външната повърхност на PFA, T surface , може да бъде измерена чрез един от следните методи: (1) термодвойка с тънък-слой, свързана към обвивката с високотемпературна лента и термична паста (точково измерване); (2) инфрачервена камера (изисква прозрачна течност и достъп); или (3) съпротивителен температурен детектор (RTD), закрепен към обвивката. Температурната разлика през PFA стената е ΔT_PFA=T_surface_inner - T_surface_outer Въпреки това, температурата на вътрешната повърхност не може лесно да се определи количествено. Използване на целия спад на температурата от металното ядро ​​(T_core) до течността: T_core също не е достъпно. Практическата техника използва факта, че основното препятствие е самата PFA стена. Уравнението на преноса на топлина е пре-подредено като q=(T_surface_outer - T_fluid) × h, където h е коефициентът на конвективен топлопренос. Но h е неизвестен и варира. Вместо това измервайте T_surface_outer при две различни нива на мощност (q1 и q2) при еднакви условия на потока. Разликата анулира h: ΔT_surface=(q2 - q1) * (t_PFA/k) следователно k=(q2 - q1) * t_PFA / ΔT_surface. Диференциалната техника не изисква познаване на T_core или h.

Пуснете нагревател с t_PFA=2.0 mm при q1=2.0 W/cm² (20 000 W/m²) и q2=3.0 W/cm² (30 000 W/m²). Измерете T_surface за всяка степен, T1=95 градус, T2=115 градус, T_fluid=80 градус (константа) ΔT_surface=20C Тогава k=(30000-20000) * .002 / 20=10000 * .002 / 20=20 / 20=1.0 W/mK Това е технически невъзможно (PFA k е 0,19-0,22). Разликата разкрива, че измерената $\\Delta T_{surface}$ включва вариациите в h с температурата и условията на потока. Диференциалната техника изисква постоянно h. Това рядко е така. По-прецизен начин е да се използва референтен нагревател с известен, стабилен k (напр. пресен PFA нагревател или метален нагревател), поставен до влошения нагревател. Измерете T_surface на двата нагревателя при еднакви q и същите условия на флуида. По-голямата Т повърхност на повредения нагревател предполага по-високо термично съпротивление. k_degraded=k_reference * (T_surface_reference - T_fluid) / (T_surface_degraded - T_fluid) Точността на тази сравнителна процедура е ±10–15 процента.

Очаквано k разграждане в окислителни киселини
Концентрация на окислителна киселина Температура (градуси) Време на излагане (часове) Първоначално k (W/m·K) Деградирало k (W/m·K) Редукция (%) Механизъм
Азотна киселина 30% 90 5,000 0.20 0.17-0.18 10-15% образуване на карбонил
Азотна киселина 70 % 100 5,000 0.20 0.14-0.16 20-30 %Интензивно повърхностно окисляване
Хромна киселина 50 g/L 60 5,000 0.20 0.16-0.18 10-20%Сулфониране на повърхности
Сярна киселина 96% 120 5,000 0.20 0.15-0.17 15-25%Сулфониране + дехидратация
Сярна киселина 96% 140 2000 0.20 0.12–0.14 30–40% Тежко влошаване (не се препоръчва за 5000 часа)
Смесена киселина (HNO₃/HF) 20/5% 80 5,000 0.20 0.16–0.18 10–20% Синергично нападение
Piranha (H 2 SO 4 /H 2 O 2 ) 3:1 120 1,000 (кратък живот) 0.20 0.10-0.12 40-50% Силно окисление
Процедура за поетапно измерване
Базово измерване: За нов нагревател измерете k с одобрената от производителя стойност или лабораторно измерване (ASTM E1530) върху проба от същата партида за екструдиране. Ако е възможно, инсталирайте референтен (нов) нагревател успоредно на сервизния нагревател.

На-настройка на място: 3 термодвойки са прикрепени към повърхността на PFA в най-горещата предвидена точка (обикновено 10-20 см от студения край), по средата-дължина и близо до дъното. Използвайте термична паста за добър контакт. Преходът на термодвойката трябва да бъде изолиран от флуида с малка силиконова гумена капачка, за да се измери истинската повърхностна температура (която не се влияе от потока на флуида). Като алтернатива може да се извърши безконтактно измерване с помощта на инфрачервена камера през наблюдателно стъкло.

Обстоятелствата в стационарно състояние са: Пуснете резервоара при нормална зададена точка и поток за минимум 1 час, за да постигнете термично равновесие. 3. Запишете температурата на повърхността на PFA в 3 точки, температурата на флуида (няколко места), електрическата мощност (напрежение x ток) Изчислете реалния топлинен поток: q=(V×I×η)/A, където η е коефициентът на ефективност, който отчита загубите на топлина през стените на резервоара (обикновено 0,90–0,95 за добре{6}}изолирани резервоари, 0,80–0,85 за неизолирани). A=π × D × L_под

Изчислете привидното k: t_PFA * (T_core - T_surface)=q / k Тъй като T_core е неизвестно, трябва да се използва подходът на референтния нагревател: T_surface_ref=T_fluid + q*(t_PFA/k_ref + 1/h) за референтен нагревател (известен k_ref, същото q, същият T_fluid). T_surface_degraded=T_fluid + q × (t_PFA/k_degraded + 1/h) за влошения нагревател. Извадете двете уравнения (същите q и h): T_surface_degraded - T_surface_ref=qx t_PFA x (1/k_degraded - 1/k_ref) Решете за k_degraded=1 / (1/k_ref + (T_surface_degraded - T_surface_ref) / (q * t_PFA))

Примерно изчисление: k_ref=0.20 W/m·K, t_PFA=0.002 m, q=30,000 W/m2 (3 W/cm2). T_surface_ref=95 градуса, T_surface_degraded=108 градуса, T_fluid=80 градуса. Тогава $1/k_{влошено}=1/0.20 + (108-95)/(30 000 \\пъти 0,002)=5 + 13/60=5.217$ $k_{влошено}=1/5.217=0.192$ W/m·K Намаляване 4%-минимално влошаване. Ако T_surface_degraded=125 степен, тогава 1/k_degraded=5+(125-95)/(60)=5+30/60=5.5, k_degraded=0.182 W/m·K, намаление=9%

Какво да правим с резултатите
Намаляването на k от 10–15% предполага значително влошаване. Нагревателят може да продължи да се използва, но трябва да се проверява на всеки три месеца. Спад от 15-25% предполага значително влошаване. След 6 до 12 месеца е препоръчително да смените нагревателя. А 25% намаление означава сериозна деградация. PFA може да е почти повреден, затова сменете нагревателя веднага. Намалението k показва, че температурата на вътрешната повърхност е по-висока от планираната и разграждането се ускорява. Ако измереното k продължава да намалява с ускоряващи се темпове (напр. 10% спад през първите 5000 часа, 15% спад през следващите 2000 часа), нагревателят е в спирала на повреда и трябва да се смени превантивно.

Ако лабораторията или съоръжението няма референтен нагревател, жизнеспособна опция е да се измери повърхностната температура на PFA при зададена мощност и да се сравни с температурата, когато нагревателят е бил нов. Непрекъснато повишаване на температурата на повърхността с времето (при постоянна мощност, температура на течността и поток) илюстрира влошаването на k. За стена от 2,0 mm при 3 W/cm2, 10-градусово увеличение на Т повърхността води до ak намаление от около 0,01–0,015 W/m·K (5–7%). 20 степенно увеличение се равнява на 10-15% намаление. Необходима е подмяна на нагревателите при увеличение от 30 градуса или повече.

Резюме: Редовното-измерване на място открива скрито влошаване
The thermal conductivity of a PFA sheath is reduced by 10-30% after 5,000 hours of exposure to oxidising acids (nitric, chromic, concentrated sulphuric) at elevated temperatures. This degradation can be assessed in-situ using a comparison approach with a reference heater with known stable k or by monitoring the increase of PFA surface temperature over time at constant operating circumstances. If the drop is >15%, сигнализира за сериозно влошаване и трябва да предизвика планирана подмяна в рамките на 6-12 месеца. Ако намалението е > 25%, необходима е бърза подмяна. Ранното предупреждение за разграждане на обвивката, преди да се появят видими пукнатини или образуване на мехури, ще бъде осигурено чрез редовно измерване (на всеки 500-1000 часа при интензивно окисляване). За важни процеси поставете референтен нагревател до всеки обслужващ нагревател, за да позволите непрекъснат мониторинг. Цената на референтен нагревател ($200-500) е тривиална в сравнение с цената на неочаквана повреда, водеща до замърсяване на ваната и прекъсване на процеса. Инженерите без достъп до референтни нагреватели трябва периодично да определят видимото повишаване на повърхностната температура и да сменят нагревателите, когато повишаването на температурата достигне 20 градуса над базовата стойност при същите работни условия. Влошаването на топлопроводимостта е ранно предупреждение за наближаващ отказ на PFA – не го пренебрегвайте.