สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบเปลือก PFA (เพอร์ฟลูออโรอัลคอกซี) ที่ใช้รักษาระดับ 160 องศาในสารละลายกรดซัลฟิวริก 70% ที่ความดัน 2 บาร์ ความหนาของผนังสูงสุดที่อนุญาตเพื่อป้องกันการเสื่อมสลายเนื่องจากความร้อนของโพลีเมอร์ที่ส่วนต่อประสานของลวดต้านทานคือเท่าใด

เครื่องทำความร้อนแบบเปลือก PFA (เปอร์ฟลูออโรอัลคอกซี) ต้องได้รับการออกแบบสำหรับกรดซัลฟิวริก 70 % ที่ 160 องศาและความดัน 2 บาร์ เพื่อให้อุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานกับลวดต้านทานอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิการบริการต่อเนื่องของโพลีเมอร์ที่ 260 องศา อุณหภูมิที่ตกคร่อมผนัง PFA ได้มาจากสมการ ΔT=(q × t) / k โดยที่ q คือฟลักซ์ความร้อน (W/m²) t คือความหนาของผนัง (m) และ k คือค่าการนำความร้อนของ PFA (0.25 W/m·K) สำหรับความหนาแน่นของพลังงานโดยทั่วไป 8 วัตต์/ซม.2 (80000 วัตต์/ตร.ม.) และอุณหภูมิกรดรวม 160 องศา ความหนาของผนังสูงสุดที่อนุญาตเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของสายไฟ<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

กลไกการสลายตัวด้วยความร้อนของปลอก PFA

ความร้อนที่เกิดจากลวดต้านทานจะต้องนำผ่านผนัง PFA ไปยังกรด T_wire=T_acid + ΔT คือ อุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานของเส้นลวด PFA เริ่มอ่อนตัวลงที่ 260 องศา และเริ่มลดลงเกิน 300 องศา เพื่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว อุณหภูมิของส่วนเชื่อมต่อสายไฟไม่ควรเกิน 260 องศา ฟลักซ์ความร้อน q กำหนดเป็นความหนาแน่นของกำลัง (W/cm2) และเป็นฟังก์ชันของพิกัดกำลังและพื้นที่ผิวของเครื่องทำความร้อน

อุณหภูมิลวดเทียบกับความหนาของผนังเชิงปริมาณ

ที่ 160 องศา ความหนาแน่นของพลังงาน 8 W/cm² (80,000 W/m²) สำหรับ 70% H₂SO₄:

ความหนาของผนัง (มม.) ΔT ตลอด PFA ( องศา ) อุณหภูมิของสายไฟ ( องศา ) สภาพของ PFA 0.15 48 208 ปลอดภัย 0.20 64 224 ปลอดภัย 0.25 80 240 ปลอดภัย 0.31 100 260 สูงสุดที่อนุญาต 0.35 112 272 การย่อยสลายเริ่มต้น 0.40 128 288 การอ่อนลง 0.50 160 320 การเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงของ
ความหนาของผนังสูงสุดที่อนุญาตที่ความหนาแน่นพลังงานต่างๆ

ตารางต่อไปนี้แสดงความหนาผนังสูงสุดที่อนุญาตสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบเปลือก PFA ใน 70% H2SO4 ที่ 160 องศา โดยเป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของพลังงาน

ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า (W/cm2) ความหนา ΔT ต่อมม. ( องศา /มม.) ความหนาของผนังสูงสุดสำหรับ 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
ข้อพิจารณาทางวิศวกรรม 1.

ความหนาของผนังต้องสามารถต้านทานแรงดันภายใน 2 บาร์ (หากเครื่องทำความร้อนเป็นท่อ) และการรับน้ำหนักและให้ความแข็งแรงทางกลที่ต้องการ สำหรับแรงดันที่สูงกว่า 1 บาร์ แนะนำให้ใช้ผนังอย่างน้อย 0.3 มม. โดยไม่คำนึงถึงการคำนวณทางความร้อน สำหรับการใช้งานนี้ (2 บาร์) ความหนาของผนัง 0.3 – 0.35 มม. ถือเป็นการประนีประนอมระหว่างข้อกำหนดด้านความร้อนและทางกล หากผนังหนาขึ้น จะต้องลดความหนาแน่นของพลังงานลงหรือเพิ่มตัวกระจายความร้อน

วิธีการอื่น ๆ

หากความหนาของผนังที่จำเป็นสำหรับความสมบูรณ์ทางกลเกินขีดจำกัดด้านความร้อน การออกแบบสามารถแก้ไขได้โดย:

ลดความหนาแน่นของพลังงาน (เครื่องทำความร้อนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวหรือใหญ่ขึ้น)

การใช้วัสดุนำความร้อนมากขึ้น (PEEK มี k=0.32 W/m·K ดีกว่าเล็กน้อย)

การใส่ตัวกระจายความร้อนที่เป็นโลหะเข้าไปในปลอก PFA

การใช้โพลีเมอร์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า (ไม่มีสำหรับสภาพแวดล้อมทางเคมีนี้ที่สูงกว่า 260 องศา)

ข้อมูลจำเพาะที่มีข้อมูลครบถ้วน

เพื่อให้หน้าสัมผัสสายไฟต่ำกว่า 260 องศา ความหนาผนังสูงสุดของเครื่องทำความร้อนแบบเปลือก PFA ที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 8 วัตต์/ซม.2 ในกรดซัลฟิวริก 70% ที่ 160 องศา และความดัน 2 บาร์คือ 0.31 มม. เพื่อรับประกันความน่าเชื่อถือทางกล ควรใช้ชั้นเสริมแรงหรือความหนาแน่นของพลังงานควรลดลงเหลือ 6 วัตต์/ซม.² ซึ่งจะทำให้ผนังมีความหนา 0.42 มม. วิศวกรควบคุมความหนาของผนังและความหนาแน่นของพลังงานเพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพของความร้อนของ PFA ที่ส่วนต่อประสานกับลวดต้านทาน