עבור מחמם נדן PFA (Perfluoroalkoxy) המשמש לשמירה על 160 מעלות בתמיסת חומצה גופרתית של 70% בלחץ של 2 בר, מהו עובי הקיר המרבי המותר למניעת השפלה תרמית של הפולימר בממשק חוטי ההתנגדות?

מחממי נדן PFA (perfluoroalkoxy) צריכים להיות מתוכננים עבור חומצה גופרתית של 70% ב-160 מעלות ולחץ של 2 בר כך שהטמפרטורה בממשק לחוט ההתנגדות תישאר מתחת לטמפרטורת השירות הרציפה של הפולימר של 260 מעלות. ירידת הטמפרטורה על פני דופן ה-PFA ניתנת על ידי המשוואה ΔT=(q × t) / k, כאשר q הוא שטף החום (W/m²), t הוא עובי הקיר (m), ו-k הוא המוליכות התרמית של PFA (0.25 W/m·K). לצפיפות הספק טיפוסית של 8 W/cm2 (80000 W/m2) וטמפרטורת חומצה בתפזורת של 160 מעלות, עובי הדופן הגבוה ביותר המותר כדי להבטיח את טמפרטורת החוט<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

מנגנון פירוק תרמי של מעטפות PFA

החום שנוצר על ידי חוט ההתנגדות חייב להוביל דרך דופן ה-PFA אל החומצה. T_wire=T_acid + ΔT היא הטמפרטורה בממשק החוט PFA מתחילה להתרכך ב-260 מעלות ומתחילה להתדרדר מעל 300 מעלות. לאמינות לטווח ארוך טמפרטורת ממשק החוט לא תעלה על 260 מעלות. שטף החום q נתון בצפיפות הספק (W/cm2) והוא פונקציה של דירוג ההספק ושטח הפנים של המחמם.

טמפרטורת חוט לעומת עובי קיר כמותי

ב-160 מעלות, צפיפות הספק של 8 W/cm² (80,000 W/m²) עבור 70% H₂SO₄:

עובי קיר (מ"מ) ΔT על פני PFA (מעלה) טמפרטורת חוט (מעלה) מצב PFA 0.15 48 208 בטוח 0.20 64 224 בטוח 0.25 80 240 בטוח 0.31 100 260 מקסימום מותר 0.35 112 272 השפלה מתחילה 0.40 128 288 ריכוך 0.50 160 320הידרדרות חמורה של
עובי דופן מירבי המותר בצפיפות הספק שונים

הטבלה הבאה מציגה את עובי הדופן המרבי המותר עבור מחממי נדן PFA ב-70% H2SO4 ב-160 מעלות כפונקציה של צפיפות ההספק.

צפיפות הספק (W/cm2) ΔT לכל מ"מ עובי (מעלה /מ"מ) עובי דופן מרבי עבור 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
שיקולים הנדסיים 1.

עובי הדופן חייב להיות מסוגל לעמוד גם בלחץ הפנימי של 2 בר (אם המחמם הוא צינור) וטיפול בעומסים ולתת את החוזק המכני הנדרש. עבור לחצים גבוהים מ-1 בר, מומלץ דופן מינימלית של 0.3 מ"מ, ללא קשר לחישובים תרמיים. עבור יישום זה (2 בר) עובי דופן של 0.3 - 0.35 מ"מ הוא פשרה בין דרישות תרמיות ומכניות. אם הקירות עבים יותר, יש להפחית את צפיפות ההספק או להוסיף מפזר חום.

שיטות אחרות

אם עובי הדופן הדרוש לשלמות מכנית חורג מהמגבלה התרמית, ניתן לשנות את העיצוב על ידי:

הפחתת צפיפות ההספק (מחמם בקוטר ארוך או גדול יותר)

שימוש בחומר מוליך תרמית יותר (ל-PEEK יש k=0.32 W/m·K, קצת יותר טוב)

הכנסת מפזר חום מתכת למעטפת PFA

שימוש בפולימר בטמפרטורה גבוהה יותר (אף אחד לא זמין עבור סביבה כימית זו מעל 260 מעלות)

מפרט מושכל היטב

כדי לשמור על מגע החוט מתחת ל-260 מעלות, עובי הדופן המרבי של מחמם נדן PFA עם צפיפות הספק של 8 W/cm2 בחומצה גופרתית 70% ב-160 מעלות ולחץ של 2 בר הוא 0.31 מ"מ. כדי להבטיח אמינות מכנית, יש להשתמש בשכבת חיזוק או להפחית את צפיפות ההספק ל-6 W/cm², מה שמאפשר עובי דופן של 0.42 מ"מ. המהנדס שולט בעובי הדופן ובצפיפות ההספק כדי למנוע פגיעה בחום של ה-PFA בממשק עם חוט ההתנגדות.