Per un riscaldatore a guaina in PFA (perfluoroalcossi) utilizzato per mantenere 160 gradi in una soluzione di acido solforico al 70% a 2 bar di pressione, qual è lo spessore massimo consentito della parete per prevenire la degradazione termica del polimero all'interfaccia del filo di resistenza?
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I riscaldatori a guaina PFA (perfluoroalcossi) devono essere progettati per acido solforico al 70% a 160 gradi e 2 bar di pressione in modo che la temperatura all'interfaccia con il filo di resistenza rimanga al di sotto della temperatura di servizio continuo del polimero di 260 gradi. La caduta di temperatura attraverso la parete in PFA è data dall'equazione ΔT=(q × t) / k, dove q è il flusso di calore (W/m²), t è lo spessore della parete (m) e k è la conduttività termica del PFA (0,25 W/m·K). Per una densità di potenza tipica di 8 W/cm2 (80.000 W/m2) e una temperatura dell'acido in massa di 160 gradi, lo spessore di parete massimo consentito per garantire la temperatura del filo<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
Meccanismo di decomposizione termica delle guaine in PFA
Il calore generato dal filo resistivo deve condurre attraverso la parete in PFA fino all'acido. T_wire=T_acid + ΔT è la temperatura all'interfaccia del filo. Il PFA inizia ad ammorbidirsi a 260 gradi e inizia a degradare sopra i 300 gradi. Per un'affidabilità a lungo termine, la temperatura dell'interfaccia del filo non deve superare i 260 gradi. Il flusso di calore q è espresso in densità di potenza (W/cm2) ed è una funzione della potenza nominale e della superficie del riscaldatore.
Temperatura del filo rispetto allo spessore della parete quantitativo
A 160 gradi, densità di potenza di 8 W/cm² (80.000 W/m²) per il 70% di H₂SO₄:
Spessore parete (mm) ΔT attraverso il PFA (gradi) Temperatura del filo (gradi) Condizione PFA 0.15 48 208 Sicuro 0.20 64 224 Sicuro 0.25 80 240 Sicuro 0.31 100 260 Massimo consentito 0.35 112 272 Inizio del degrado 0.40 128 288 Rammollimento 0.50 160 320Grave deterioramento del
Spessore massimo consentito della parete a varie densità di potenza
La tabella seguente mostra lo spessore massimo consentito della parete per i riscaldatori a guaina PFA in H2SO4 al 70% a 160 gradi in funzione della densità di potenza.
Densità di potenza (W/cm2) ΔT per mm di spessore (gradi/mm) Spessore massimo della parete per filo_T<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
Considerazioni ingegneristiche 1.
Lo spessore della parete deve inoltre essere in grado di resistere alla pressione interna di 2 bar (se il riscaldatore è un tubo) e alla movimentazione dei carichi e fornire la necessaria resistenza meccanica. Per pressioni superiori a 1 bar si consiglia una parete minima di 0,3 mm, indipendentemente dai calcoli termici. Per questa applicazione (2 bar) uno spessore di parete di 0,3 – 0,35 mm è un compromesso tra requisiti termici e meccanici. Se le pareti sono più spesse, è necessario ridurre la densità di potenza o aggiungere un diffusore di calore.
Altri metodi
Se lo spessore della parete necessario per l'integrità meccanica supera il limite termico, il progetto può essere modificato da:
Ridurre la densità di potenza (riscaldatore con diametro più lungo o maggiore)
Utilizzando un materiale più termicamente conduttivo (il PEEK ha k=0.32 W/m·K, un po' meglio)
Inserimento del diffusore di calore metallico nella guaina in PFA
Utilizzando un polimero a temperatura più elevata (nessuno è disponibile per questo ambiente chimico superiore a 260 gradi)
Una specifica ben informata
Per mantenere il contatto del filo al di sotto di 260 gradi, lo spessore massimo della parete di un riscaldatore a guaina in PFA con una densità di potenza di 8 W/cm2 in acido solforico al 70% a 160 gradi e 2 bar di pressione è 0,31 mm. Per garantire l'affidabilità meccanica, è necessario utilizzare uno strato di rinforzo oppure ridurre la densità di potenza a 6 W/cm², che consente uno spessore della parete di 0,42 mm. L'ingegnere controlla lo spessore della parete e la densità di potenza per evitare la degradazione termica del PFA all'interfaccia con il filo resistivo.
