เหตุใดเครื่องทำความร้อน PFA ที่ติดตั้งในแนวนอนในถังกรดไนตริกที่กำลังเดือดจึงเกิดรอยแตกที่พื้นผิวด้านบนภายใน 6 เดือน

เครื่องทำความร้อน PFA ที่ติดตั้งในแนวนอนในถังกรดไนตริกที่กำลังเดือด (เช่น 20–30% HNO₃ ที่ 105–110 องศา ) จะเกิดรอยแตกตามเส้นรอบวงบนพื้นผิวด้านบนเป็นประจำภายใน 3-6 เดือน ในขณะที่เครื่องทำความร้อนที่ติดตั้งในแนวตั้งในบริการเดียวกันอาจมีอายุการใช้งาน 2-3 ปี การเสื่อมสภาพแบบออกซิเดชันที่เร่งขึ้น ภาวะโลกร้อนเฉพาะจุด และการปกคลุมของไอ ล้วนมีส่วนทำให้เกิดความล้มเหลว ชั้นไออย่างต่อเนื่องที่เป็นฉนวน PFA ถูกสร้างขึ้นเมื่อฟองเดือดลอยขึ้นและรวมตัวกันที่ด้านบนของท่อแนวนอน ในขณะที่ด้านล่างยังคงระบายความร้อนด้วยของเหลว อุณหภูมิพื้นผิวด้านบนจะเพิ่มขึ้นจากปกติ 115–120 องศา เป็น 180–250 องศา PFA ถูกออกซิไดซ์อย่างรุนแรงโดยไอกรดไนตริกเข้มข้นซึ่งกักตัวอยู่หลังผ้าห่ม ผลลัพธ์ที่ได้คือเกิดการเปราะ การแตกร้าว และการเจาะทะลุอย่างรวดเร็ว สำหรับกรดเดือด การวางแนวในแนวนอนไม่เหมาะสมอย่างยิ่ง ขอแนะนำให้ติดตั้งในแนวตั้ง

กลไกการห่อด้วยไอของเครื่องทำความร้อนแนวนอน
ฟองอากาศจะปรากฏขึ้นทั่วพื้นผิวของเครื่องทำความร้อนระหว่างการเดือดของนิวเคลียส ฟองอากาศจะแยกตัวและลอยขึ้นอย่างรวดเร็วบนเครื่องทำความร้อนแนวตั้ง กวาดพื้นผิวและรักษาการสัมผัสของเหลว ฟองอากาศที่สร้างขึ้นที่ครึ่งล่างของเครื่องทำความร้อนแนวนอนจะลอยขึ้นและกระทบกับครึ่งบน ซึ่งฟองอากาศจะรวมกันเป็นชั้นไอต่อเนื่องหรือกึ่ง-ต่อเนื่องกัน ใต้ผ้าห่มไอ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะลดลงจาก 5,000–10,000 วัตต์/ตร.ม.·K (การเดือดของของเหลว) เป็น 100–300 วัตต์/ตร.ม.K (ฟิล์มไอ) อุณหภูมิพื้นผิวใต้ผ้าห่มไอจะเพิ่มเป็น T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 องศาสำหรับฟลักซ์ความร้อนคงที่ที่ 3 วัตต์/ซม.² (30,000 วัตต์/ตร.ม.) ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องที่ปลอดภัยของ PFA ที่ 200 องศา และเข้าใกล้จุดหลอมเหลวที่ 305 องศา ภายใต้ความเครียดจากความร้อน PFA จะอ่อนตัวลง ออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วในไอกรดไนตริก และแตกตัว

ความเปียกชื้นเป็นระยะทำให้เกิดแรงตึงเป็นวงกลมบนพื้นผิวด้านบนเช่นกัน อุณหภูมิจะผันผวนทุกๆ สองสามวินาทีระหว่าง 110 องศาถึง 260 องศา เมื่อผ้าห่มไอระเหยสร้างและยุบตัว รอยแตกร้าวบริเวณเส้นรอบวงเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่เกิดขึ้นเป็นพันๆ รอบ (วันต่อสัปดาห์)

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพแนวนอนและแนวตั้งในการต้ม 25% HNO₃ ที่ 108 องศา
การวางแนว การแตกร้าว การโจมตี (เดือน) อุณหภูมิพื้นผิวด้านบน (องศา) อุณหภูมิพื้นผิวด้านล่าง (องศา) โหมดความล้มเหลวที่โดดเด่น อายุสัมพัทธ์ในแนวนอน (25 มม. OD) 210–260 115–125 3–6 รอยแตกตามเส้นรอบวงด้านบน 1.0× แนวนอนโดยมีการไหลเวียนแบบบังคับ (0.5 ม./วินาที) 160–190 130–140 8–12 การย่อยสลายทั่วไป 2.0× แนวตั้ง (เครื่องทำความร้อนเดียวกัน) 115–125 115–125 24–366–8 ปีของการมีอายุสม่ำเสมอ
แนวนอนพร้อมแผงป้องกันไอน้ำ (ฝาครอบโลหะมีรูด้านบน) 130–150 120–130 18–24 การกัดกร่อนที่ขอบแผงป้องกัน 4–5× แนวนอน ลดเหลือ 1.5 วัตต์/ซม.² 150–180 110–120 12–18 ยังคงแตกร้าว 3× ทำไมกรดไนตริกจึงเร่งความเสียหาย
สารออกซิไดซ์ที่มีศักยภาพชนิดหนึ่งคือกรดไนตริก ด้วยการออกซิไดซ์ปลายโซ่และก่อตัวเป็นกลุ่มคาร์บอนิลฟลูออไรด์ ไอของ HNO₃ จะสลาย PFA อย่างรวดเร็วที่ 200 องศา พื้นผิวเกิดรอยแตกขนาดเล็กและเปราะ (ความแข็งเพิ่มขึ้นจาก 66 เป็น 78 Shore D) ในทางกลับกัน กรดที่ไม่ออกซิไดซ์-หรือน้ำบริสุทธิ์จะสลายตัวช้ากว่า วงจรความล้มเหลวที่เร่งขึ้นเอง-เกิดขึ้นเมื่อกรดไนตริกและแผ่นปิดไอระเหยถูกรวมเข้าด้วยกัน: แผ่นปิดไอจะเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งเร่งการเกิดออกซิเดชัน ซึ่งเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการยึดเกาะของฟอง ซึ่งช่วยเพิ่มแผ่นปิดไอ

ตัวอย่างในภาคสนาม
ในถังต้ม HNO₃ 25% ความจุ 2,000 ลิตร (108 องศา) โรงงานเคมีแห่งหนึ่งวางเครื่องทำความร้อน PFA ขนาด 6 kW ในแนวนอน สี่เดือนต่อมา เกิดข้อผิดพลาดที่พื้นทำให้ฮีตเตอร์สะดุด จากการตรวจสอบ พบว่ามีรอยแยกเส้นรอบวงขนาด 5 ซม. ซึ่งมีการเปราะและมีสีเหลืองมากบนพื้นผิวด้านบน เครื่องทำความร้อนแนวตั้งในถังเดียวกันที่โรงงานเดียวกันทำงานได้ไม่มีที่ติเป็นเวลาสามสิบเดือน โรงงานไม่มีความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ อีกต่อไปหลังจากเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนแนวนอนเป็นการติดตั้งแนวตั้ง สำหรับการให้บริการที่เป็นกรดเดือดใดๆ ในตอนนี้ ห้ามติดตั้งในแนวนอน

การลดการติดตั้งแนวนอนที่จำเป็น
สามขั้นตอนลดความเสี่ยงของการแตกร้าวของพื้นผิวด้านบน หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงแนวนอนได้ (ถังน้ำตื้น พื้นที่จำกัด):

ติดตั้งแผงป้องกันไอ: เพื่อหลีกเลี่ยงการปกคลุมไออย่างต่อเนื่องและรบกวนการรวมตัวกันของฟองอากาศ ให้สอดแผ่นเหล็กสเตนเลสเจาะรูที่มีรูขนาด 5 มม. และพื้นที่เปิด 40% โดยอยู่เหนือเครื่องทำความร้อน 10–20 มม. ชิลด์ทำงานที่อุณหภูมิใกล้เคียงกัน แต่เนื่องจากเป็นโลหะ จึงไม่สามารถออกซิไดซ์ได้

ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำลง: แม้จะปกคลุมไอระเหยบางส่วน ให้รักษาอุณหภูมิพื้นผิวด้านบนให้ต่ำกว่า 150 องศาโดยใช้งานที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.5 วัตต์/ซม.²

รวมการหมุนเวียนแบบบังคับ: ก่อนที่ฟองจะรวมตัวกัน ฟองเหล่านั้นจะถูกกวาดออกจากพื้นผิวด้านบนโดยเครื่องกวนหรือปั๊มหมุนเวียนซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่า 0.3 เมตร/วินาที

การหมุนเครื่องทำความร้อน 180 องศารายสัปดาห์จะกระจายภาระความร้อน แต่เพียงเลื่อนความล้มเหลวออกไป

โดยสรุป การแตกร้าวที่พื้นผิวด้านบนอย่างรวดเร็วเกิดจากการติดในแนวนอนในกรดไนตริกที่กำลังเดือด
ภายในสามถึงหกเดือน การปกคลุมด้วยไอระเหยทำให้เกิดรอยแยกตามเส้นรอบวงบนพื้นผิวด้านบนของเครื่องทำความร้อน PFA ที่วางในแนวนอนในถังกรดไนตริกที่กำลังเดือด เมื่อฟองสบู่ก่อตัวขึ้นที่ด้านบน ชั้นไอที่เป็นฉนวนจะถูกสร้างขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิ PFA สูงขึ้นสูงกว่า 200 องศา และเร่งให้เกิดการแตกร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและการเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น เมื่อถอดแผ่นปิดไอน้ำออก การวางแนวตั้งจะเพิ่มอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อนเป็นสองถึงสามปี ควรหลีกเลี่ยงการติดตั้งในแนวนอนในขณะที่ต้องรับมือกับกรดเดือด ใช้การบังคับหมุนเวียน ลดความหนาแน่นของวัตต์ หรือติดตั้งแผงป้องกันไอหากคุณไม่สามารถป้องกันได้ พื้นผิวด้านบนของเครื่องทำความร้อนแนวนอนที่มีกรดเดือดเป็นสูตรสำเร็จของหายนะ เปลี่ยนบ่อยๆ หรือติดตั้งในแนวตั้ง