Tại sao thiết bị gia nhiệt PFA được lắp đặt theo hướng nằm ngang trong bể chứa axit nitric đang sôi lại phát triển các vết nứt ở bề mặt trên cùng trong vòng 6 tháng?

Bộ gia nhiệt PFA được lắp đặt theo chiều ngang trong bể axit nitric đang sôi (ví dụ: 20–30% HNO₃ ở 105–110 độ) thường xuyên phát triển các vết nứt theo chu vi trên bề mặt trên cùng trong vòng 3–6 tháng, trong khi bộ gia nhiệt được gắn theo chiều dọc trong cùng một dịch vụ có thể tồn tại được 2-3 năm. Sự suy giảm oxy hóa tăng tốc, sự nóng lên cục bộ và sự bao phủ hơi nước đều góp phần gây ra sự cố. Một lớp hơi liên tục cách nhiệt PFA được tạo ra khi các bong bóng sôi nổi lên và tụ lại dọc theo đầu ống nằm ngang. Trong khi phần đáy vẫn được làm mát bằng chất lỏng thì nhiệt độ bề mặt phía trên tăng từ mức thông thường là 115–120 độ lên 180–250 độ. PFA bị oxy hóa nghiêm trọng bởi hơi axit nitric cường độ cao bị giam giữ phía sau tấm chăn. Kết quả là sự giòn, nứt và cuối cùng là thủng nhanh chóng. Đối với axit sôi, hướng nằm ngang về cơ bản là không phù hợp; cài đặt dọc là rất khuyến khích.

Cơ chế phủ hơi của máy sưởi ngang
Bong bóng hơi xuất hiện khắp bề mặt của lò sưởi trong quá trình sôi hạt nhân. Bong bóng nhanh chóng tách ra và nổi lên trên một lò sưởi thẳng đứng, quét bề mặt và duy trì sự tiếp xúc với chất lỏng. Các bong bóng tạo ra ở nửa dưới của lò sưởi nằm ngang bay lên và tác động lên nửa trên, tại đó chúng kết hợp với nhau tạo thành lớp hơi liên tục hoặc bán{2} liên tục. Dưới lớp phủ hơi, hệ số truyền nhiệt giảm từ 5.000–10.000 W/m2·K (sôi lỏng) xuống 100–300 W/m2·K (màng hơi). Nhiệt độ bề mặt bên dưới lớp màng hơi tăng lên T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 độ đối với dòng nhiệt không đổi 3 W/cm² (30.000 W/m²). Nhiệt độ này cao hơn nhiệt độ sử dụng liên tục an toàn của PFA là 200 độ và gần đạt đến điểm nóng chảy là 305 độ. Dưới áp lực nhiệt, PFA mềm đi, oxy hóa nhanh chóng trong hơi axit nitric và phân tách.

Độ ẩm liên tục cũng gây ra lực căng theo chu kỳ ở bề mặt trên. Nhiệt độ dao động vài giây một lần trong khoảng từ 110 độ đến 260 độ khi lớp chăn hơi hình thành và sụp đổ. Các vết nứt theo chu vi được tạo ra bởi cú sốc nhiệt này trong hàng nghìn chu kỳ (từ vài ngày đến vài tuần).

So sánh hiệu suất theo chiều ngang và chiều dọc khi đun sôi 25% HNO₃ ở 108 độ
Định hướng Nứt bắt đầu (tháng) Nhiệt độ bề mặt trên ( độ ) Nhiệt độ bề mặt đáy ( độ ) Chế độ hư hỏng chiếm ưu thế Tuổi thọ tương đối Ngang (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Vết nứt chu vi trên đỉnh 1,0× Ngang với tuần hoàn cưỡng bức (0,5 m/s) 160–190 130–140 8–12 Suy thoái chung 2,0× Dọc (cùng bộ gia nhiệt) 115–125 115–125 24–366–8 năm lão hóa đồng đều
Nằm ngang với tấm chắn hơi (vỏ kim loại đục lỗ phía trên) 130–150 120–130 18–24 Ăn mòn ở các cạnh tấm chắn 4–5× Ngang, giảm xuống 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Vẫn nứt 3× Tại sao Axit Nitric làm tăng tốc độ thiệt hại
Một tác nhân oxy hóa mạnh là axit nitric. Bằng cách oxy hóa các đầu chuỗi và hình thành các nhóm cacbonyl florua, hơi HNO₃ nhanh chóng phân hủy PFA ở nhiệt độ 200 độ. Bề mặt phát triển các vết nứt nhỏ và trở nên giòn (độ cứng tăng từ 66 lên 78 Shore D). Mặt khác, axit không-oxy hóa hoặc nước tinh khiết phân hủy chậm hơn. Một chu trình hư hỏng tự-tăng tốc được tạo ra khi axit nitric và lớp phủ hơi được kết hợp: lớp phủ hơi làm tăng nhiệt độ, làm tăng tốc độ oxy hóa, làm tăng độ nhám bề mặt, khuyến khích sự bám dính của bong bóng, giúp tăng cường lớp phủ hơi.

Ví dụ trong lĩnh vực này
Trong một bể chứa 2.000 L sôi 25% HNO₃ (108 độ), một nhà máy hóa chất đặt một lò sưởi PFA 6 kW theo chiều ngang. Bốn tháng sau, một sự cố nối đất đã khiến máy sưởi bị hỏng. Khi kiểm tra, người ta tìm thấy một vết nứt chu vi 5 cm với độ giòn và màu vàng đáng kể ở bề mặt phía trên. Máy sưởi đứng trong cùng một bể ở cùng một nhà máy đã chạy hoàn hảo trong ba mươi tháng. Cơ sở không còn xảy ra sự cố sớm nào nữa sau khi thay thế máy sưởi ngang bằng lắp đặt dọc. Đối với bất kỳ dịch vụ axit sôi nào, việc lắp ngang hiện bị cấm.

Giảm cài đặt ngang cần thiết
Ba bước giảm nguy cơ nứt bề mặt trên nếu không thể tránh được hướng nằm ngang (bể nông, hạn chế về không gian):

Lắp tấm chắn hơi: Để tránh lớp màng hơi liên tục và làm xáo trộn sự kết tụ của bong bóng, hãy lắp một tấm thép không gỉ đục lỗ có lỗ 5 mm và diện tích mở 40% phía trên bộ sưởi 10–20 mm. Tấm chắn hoạt động ở nhiệt độ tương đương, nhưng vì là kim loại nên nó không thể bị oxy hóa.

Mật độ watt thấp hơn: Ngay cả khi bao phủ hơi một phần, hãy duy trì nhiệt độ bề mặt trên cùng dưới 150 độ bằng cách vận hành ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 W/cm2.

Kết hợp tuần hoàn cưỡng bức: Trước khi bong bóng kết lại, chúng bị cuốn ra khỏi bề mặt trên bởi máy khuấy hoặc bơm tuần hoàn chuyển động với tốc độ lớn hơn 0,3 m/s.

Xoay lò sưởi 180 độ hàng tuần giúp phân phối tải nhiệt nhưng chỉ đơn giản là trì hoãn sự cố.

Tóm lại, vết nứt bề mặt nhanh chóng là do gắn nằm ngang trong axit nitric sôi.
Trong vòng ba đến sáu tháng, lớp phủ hơi sẽ làm xuất hiện các vết nứt theo chu vi trên bề mặt trên của lò sưởi PFA được đặt nằm ngang trong bể axit nitric đang sôi. Khi bong bóng tích tụ ở phía trên, một lớp hơi cách nhiệt được tạo ra, làm tăng nhiệt độ PFA lên trên 200 độ và đẩy nhanh hiện tượng nứt do sốc nhiệt và suy thoái oxy hóa. Bằng cách loại bỏ lớp phủ hơi, hướng thẳng đứng sẽ tăng tuổi thọ của máy sưởi lên hai đến ba năm. Nên tránh gắn ngang khi xử lý axit sôi. Sử dụng tuần hoàn cưỡng bức, giảm mật độ watt hoặc lắp tấm chắn hơi nếu bạn không thể ngăn chặn được. Bề mặt trên của lò sưởi nằm ngang trong axit sôi là công thức dẫn đến thảm họa. Thay thế nó thường xuyên hoặc gắn nó theo chiều dọc.