Đối với thiết bị gia nhiệt vỏ bọc PFA (Perfluoroalkoxy) được sử dụng để duy trì nhiệt độ 160 độ trong dung dịch axit sunfuric 70% ở áp suất 2 bar, Độ dày thành tối đa cho phép để ngăn chặn sự phân hủy nhiệt của polyme ở bề mặt dây điện trở là bao nhiêu?

Bộ gia nhiệt vỏ bọc PFA (perfluoroalkoxy) phải được thiết kế cho axit sulfuric 70% ở 160 độ và áp suất 2 bar để nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc với dây điện trở duy trì dưới nhiệt độ sử dụng liên tục của polyme là 260 độ. Sự giảm nhiệt độ trên thành PFA được tính theo phương trình ΔT=(q × t) / k, trong đó q là thông lượng nhiệt (W/m2), t là độ dày thành (m) và k là độ dẫn nhiệt của PFA (0,25 W/m·K). Đối với mật độ công suất điển hình là 8 W/cm2 (80000 W/m2) và nhiệt độ axit lớn là 160 độ, độ dày thành cao nhất cho phép để đảm bảo nhiệt độ dây<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

Cơ chế phân hủy nhiệt của vỏ bọc PFA

Nhiệt do dây điện trở tạo ra phải dẫn qua thành PFA tới axit. T_wire=T_axit + ΔT là nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc của dây PFA bắt đầu mềm đi ở 260 độ và bắt đầu xuống cấp trên 300 độ. Để có độ tin cậy lâu dài, nhiệt độ giao diện dây không được vượt quá 260 độ. Thông lượng nhiệt q được tính theo mật độ công suất (W/cm2) và là hàm số của công suất định mức và diện tích bề mặt của lò sưởi.

Định lượng nhiệt độ dây và độ dày của tường

Ở 160 độ, mật độ công suất 8 W/cm2 (80.000 W/m2) cho 70% H₂SO₄:

Độ dày thành (mm) ΔT Trên PFA ( độ ) Nhiệt độ dây ( độ ) Tình trạng PFA 0.15 48 208 An toàn 0.20 64 224 An toàn 0.25 80 240 An toàn 0.31 100 260 Mức tối đa cho phép 0.35 112 272 Bắt đầu xuống cấp 0.40 128 288 Làm mềm 0.50 160 320Sự suy giảm nghiêm trọng của
Độ dày tường tối đa cho phép ở các mật độ năng lượng khác nhau

Bảng sau đây cho thấy độ dày thành tối đa cho phép đối với bộ gia nhiệt có vỏ bọc PFA trong 70% H2SO4 ở 160 độ là hàm của mật độ năng lượng.

Mật độ năng lượng (W/cm2) ΔT trên mỗi mm độ dày (độ /mm)Độ dày thành tối đa cho T_wire<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
Những cân nhắc về mặt kỹ thuật 1.

Độ dày của thành cũng phải có khả năng chịu được áp suất bên trong 2 bar (nếu lò sưởi là dạng ống) và chịu được tải trọng cũng như cung cấp độ bền cơ học cần thiết. Đối với áp suất cao hơn 1 bar, nên sử dụng thành tối thiểu 0,3 mm, bất kể tính toán nhiệt. Đối với ứng dụng này (2 bar), độ dày thành 0,3 – 0,35 mm là sự dung hòa giữa các yêu cầu về nhiệt và cơ học. Nếu các bức tường dày hơn, mật độ năng lượng cần phải giảm hoặc bổ sung thêm bộ tản nhiệt.

Các phương pháp khác

Nếu độ dày thành cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn cơ học vượt quá giới hạn nhiệt thì thiết kế có thể được thay đổi bằng cách:

Giảm mật độ năng lượng (bộ gia nhiệt có đường kính dài hơn hoặc lớn hơn)

Sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn (PEEK có k=0.32 W/m·K, tốt hơn một chút)

Chèn bộ tản nhiệt kim loại vào vỏ PFA

Sử dụng polymer có nhiệt độ cao hơn (không có sẵn cho môi trường hóa học trên 260 độ này)

Một đặc điểm kỹ thuật đầy đủ thông tin

Để giữ cho điểm tiếp xúc của dây dưới 260 độ, độ dày thành tối đa của lò sưởi vỏ PFA có mật độ công suất 8 W/cm2 trong axit sunfuric 70% ở 160 độ và áp suất 2 bar là 0,31 mm. Để đảm bảo độ tin cậy về mặt cơ học, nên sử dụng lớp gia cố hoặc giảm mật độ công suất xuống 6 W/cm2, cho phép độ dày thành 0,42 mm. Kỹ sư kiểm soát độ dày thành và mật độ điện năng để tránh sự suy giảm nhiệt của PFA tại bề mặt tiếp xúc với dây điện trở.