За ПФА (перфлуороалкокси) грејач омотача који се користи за одржавање 160 степени у 70% раствору сумпорне киселине при притиску од 2 бара, која је максимална дозвољена дебљина зида да би се спречила термичка деградација полимера на интерфејсу жице отпора?

ПФА (перфлуороалкоки) грејачи омотача морају бити пројектовани за 70% сумпорну киселину на 160 степени и притиску од 2 бара тако да температура на интерфејсу отпорне жице остане испод континуалне радне температуре полимера од 260 степени. Пад температуре преко ПФА зида је дат једначином ΔТ=(к × т) / к, где је к топлотни ток (В/м²), т дебљина зида (м), а к је топлотна проводљивост ПФА (0,25 В/м·К). За типичну густину снаге од 8 В/цм2 (80000 В/м2) и температуру киселине од 160 степени највећа дозвољена дебљина зида како би се осигурала температура жице<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

Механизам термичке декомпозиције ПФА омотача

Топлота коју генерише отпорна жица мора да пређе кроз ПФА зид до киселине. Т_вире=Т_ацид + ΔТ је температура на интерфејсу жице ПФА почиње да омекшава на 260 степени и почиње да се опада изнад 300 степени. За дугорочну поузданост температура интерфејса жице не би требало да пређе 260 степени. Топлотни ток к је дат у густини снаге (В/цм2) и функција је називне снаге грејача и површине.

Температура жице у односу на дебљину зида квантитативно

На 160 степени, густина снаге од 8 В/цм² (80.000 В/м²) за 70% Х₂СО₄:

Дебљина зида (мм) ΔТ преко ПФА (степен) Температура жице (степен) ПФА Стање 0.15 48 208 Безбедно 0.20 64 224 Безбедно 0.25 80 240 Безбедно 0.31 100 260 Максимално дозвољено 0.35 112 272 Деградација почиње 0.40 128 288 Омекшавање 0.50 160 320Озбиљно погоршање
Максимална дозвољена дебљина зида при различитим густинама снаге

Следећа табела приказује максималну дозвољену дебљину зида за грејаче плашта ПФА у 70% Х2СО4 на 160 степени као функцију густине снаге.

Густина снаге (В/цм2) ΔТ по мм дебљине (степен/мм)Максимална дебљина зида за Т_жицу<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
Инжењерска разматрања 1.

Дебљина зида такође мора бити способна да издржи унутрашњи притисак од 2 бара (ако је грејач цев) и оптерећења при руковању и да пружи потребну механичку чврстоћу. За притиске веће од 1 бара препоручује се минимални зид од 0,3 мм, без обзира на термичке прорачуне. За ову примену (2 бара) дебљина зида од 0,3 – 0,35 мм представља компромис између термичких и механичких захтева. Ако су зидови дебљи, потребно је смањити густину снаге или додати распршивач топлоте.

Друге методе

Ако неопходна дебљина зида за механички интегритет премашује термичку границу, дизајн се може променити на следећи начин:

Смањење густине снаге (грејач дужег или већег пречника)

Коришћење топлотно проводљивијег материјала (ПЕЕК има к=0.32 В/м·К, мало боље)

Уметање металног распршивача топлоте у ПФА плашт

Коришћење полимера више температуре (ниједан није доступан за ово хемијско окружење изнад 260 степени)

Добро информисана спецификација

Да би се контакт жице одржао испод 260 степени, максимална дебљина зида ПФА грејача омотача са густином снаге од 8 В/цм2 у 70% сумпорној киселини на 160 степени и притиску од 2 бара је 0,31 мм. Да би се гарантовала механичка поузданост, треба користити или ојачавајући слој или густину снаге треба смањити на 6 В/цм², што омогућава дебљину зида од 0,42 мм. Инжењер контролише дебљину зида и густину снаге како би се избегла топлотна деградација ПФА на интерфејсу са отпорном жицом.