Kā izmērīt in-PFA apvalka siltumvadītspējas samazināšanos pēc 5000 stundām oksidējošās skābēs?

Laika gaitā oksidējošās skābes, piemēram, slāpekļskābe (HNO₃), hromskābe (H2CrO4) un koncentrēta sērskābe (H2SO4), sadala PFA, iekļaujot polimēra mugurkaulā un amorfajās zonās polārās funkcionālās grupas (karbonilgrupu, karboksilgrupu, sulfonātu). Šī ķīmiskā noārdīšanās maina PFA siltuma pārneses īpašības, un siltumvadītspēja (k) parasti samazinās par 10-30% pēc 5000 stundām paaugstinātā temperatūrā. Zemāks k rada lielāku temperatūras kritumu pāri apvalkam ar tādu pašu siltuma plūsmu, kas palielina PFA iekšējās virsmas temperatūru un vēl vairāk paātrina degradāciju pozitīvas atgriezeniskās saites cilpā. Salīdzināšanas pieejai siltumvadītspējas samazināšanās mērīšanai in situ nav nepieciešams izslēgt sildītāju no ekspluatācijas. Sildītāja virsmas temperatūru mēra pie zināmas siltuma plūsmas un šķidruma temperatūras, un šķietamo k vērtību aprēķina no siltuma vadīšanas vienādojuma. Degradāciju norāda ar samazinātu aprēķināto k ar laiku. Regulāri mērījumi (ik pēc 500 līdz 1000 stundām) ļauj novērot apvalka deģenerāciju, pirms tā vizuāli neizdodas.

In-situ mērīšanas metode
PFA sildītājam, kas darbojas līdzsvara stāvoklī, siltuma plūsmu q (W/m^2) caur apvalku nosaka pēc elektroenerģijas ievadītās jaudas un sildītāja virsmas laukuma (q=P_elec*η / A, kur η ir apkures efektivitāte, parasti 0,95–0,98 iegremdētajiem sildītājiem). Šķidruma temperatūru T šķidrums mēra ar kalibrētu termopāri. PFA ārējās virsmas temperatūru, T virsmu, var izmērīt ar vienu no šīm metodēm: (1) plānas -plēves termopāris, kas savienots ar apvalku ar augstas temperatūras lenti un termopastu (punktu mērīšana); (2) infrasarkanā kamera (nepieciešams caurspīdīgs šķidrums un piekļuve); vai (3) pretestības temperatūras detektors (RTD), kas piestiprināts pie apvalka. Temperatūras starpība visā PFA sienā ir ΔT_PFA=T_surface_inner - T_surface_outer Tomēr iekšējās virsmas temperatūra nav viegli nosakāma. Izmantojot visu temperatūras kritumu no metāla serdes (T_core) uz šķidrumu: T_core arī nav sasniedzams. Praktiskajā tehnikā tiek izmantots fakts, ka galvenais šķērslis ir pati PFA siena. Siltuma pārneses vienādojums ir pārkārtots -kā q=(T_virsmas_ārējais - T_šķidrums) × h, kur h ir konvekcijas siltuma pārneses koeficients. Bet h nav zināms un atšķiras. Tā vietā izmēriet T_surface_outer divos dažādos jaudas līmeņos (q1 un q2) identiskos plūsmas apstākļos. Atšķirība atceļ h: ΔT_virsma=(q2 - q1) * (t_PFA/k), tāpēc k=(q2 - q1) * t_PFA / ΔT_virsma. Diferenciālajai tehnikai nav nepieciešamas zināšanas par T_core vai h.

Iedarbiniet sildītāju ar t_PFA=2.0 mm pie q1=2.0 W/cm² (20 000 W/m²) un q 2=3.0 W/cm² (30 000 W/m²). Izmēriet T_virsmu katrai jaudai, T1=95 grāds , T2=115 grāds , T_fluid=80 grāds (konstante) ΔT_virsma=20C Tad k=(30000-20000) * .002 / {{0}10} / * {0}. 20=1.0 W/mK Tas tehniski nav iespējams (PFA k ir 0,19-0,22). Atšķirība atklāj, ka izmērītā $\\Delta T_{virsma}$ ietver h svārstības atkarībā no temperatūras un plūsmas apstākļiem. Diferenciālā tehnika prasa pastāvīgu h. Tas tā ir reti. Precīzāks veids ir izmantot standarta sildītāju ar zināmu, stabilu k (piem., svaigu PFA sildītāju vai metāla sildītāju), kas novietots blakus bojātajam sildītājam. Izmēriet abu sildītāju T_virsmu vienādos q un vienādos šķidruma apstākļos. Lielāka nolietotā sildītāja T virsma nozīmē augstāku termisko pretestību. k_degraded=k_reference * (T_surface_reference — T_fluid) / (T_surface_degraded — T_fluid) Šīs salīdzinošās procedūras precizitāte ir ±10–15 procenti.

Paredzamā k sadalīšanās oksidējošās skābēs
Oksidējošās skābes koncentrācijas temperatūra ( grāds ) Ekspozīcijas laiks (stundas) Sākotnējais k (W/m·K) Degradēts k (W/m·K) Samazināšanas (%) mehānisms
Slāpekļskābe 30% 90 5,000 0.20 0.17-0.18 10-15% Karbonila veidošanās
Slāpekļskābe 70 % 100 5,000 0.20 0.14-0.16 20-30 % Intensīva virsmas oksidēšana
Hromskābe 50 g/L 60 5,000 0.20 0.16-0.18 10-20% Virsmu sulfonēšana
Sērskābe 96% 120 5,000 0.20 0.15-0.17 15-25% Sulfonēšana + dehidratācija
Sērskābe 96% 140 2000 0.20 0.12–0.14 30–40% Spēcīgs bojājums (nav ieteicams 5000 h)
Jaukta skābe (HNO₃/HF) 20/5% 80 5,000 0.20 0.16–0.18 10–20% Sinerģisks uzbrukums
Piranha (H 2 SO 4 / H 2 O 2 ) 3:1 120 1, 000 (īss mūžs) 0.20 0.10-0.12 40-50% Spēcīga oksidācija
Pakāpeniska mērīšanas procedūra
Sākotnējais mērījums: jaunam sildītājam izmēra k ar ražotāja apstiprināto vērtību vai laboratorijas mērījumu (ASTM E1530) paraugam no tās pašas ekstrūzijas partijas. Ja iespējams, paralēli apkopes sildītājam uzstādiet standarta (jaunu) sildītāju.

In-in situ iestatīšana: 3 termopāri ir pievienoti PFA virsmai karstākajā prognozētajā punktā (parasti 10-20 cm no aukstā gala), vidējā-garumā un netālu no apakšas. Lai nodrošinātu labu kontaktu, izmantojiet termopastu. Termopāra savienojuma vietai jābūt izolētai no šķidruma ar nelielu silikona gumijas vāciņu, lai izmērītu patieso virsmas temperatūru (to neietekmē šķidruma plūsma). Alternatīvi, bezkontakta mērījumu var veikt, izmantojot infrasarkano staru kameru caur skata stiklu.

Stabila stāvokļa apstākļi ir šādi: darbiniet tvertni normālā iestatītajā punktā un plūstiet vismaz 1 stundu, lai sasniegtu termisko līdzsvaru. 3. Reģistrējiet PFA virsmas temperatūru 3 punktos, šķidruma temperatūru (vairākās vietās), elektrisko jaudu (spriegums x strāva). Aprēķiniet reālo siltuma plūsmu: q=(V × I × η)/A, kur η parasti ir siltuma zudumu koeficients, kas caur sienām ņem vērā tvertnes efektivitāti. 0,90–0,95 labi -izolētām tvertnēm, 0,80–0,85 neizolētām). A=π × D × L_sub

Aprēķiniet šķietamo k: t_PFA * (T_core - T_surface)=q / k Tā kā T_core nav zināms, ir jāizmanto atsauces sildītāja pieeja: T_surface_ref=T_fluid + q*(t_PFA/k_ref + 1/h) atsauces k_qref, T_samaf. T_virsmas_degraded=T_fluid + q × (t_PFA/k_degraded + 1/h) degradētam sildītājam. Atņemiet divus vienādojumus (tas pats q un h): T_virsmas_degradēta - T_virsmas_ref=qx t_PFA x (1/k_degraded - 1/k_ref) Atrisiniet k_degraded=1 / (1/k_virsmas_ref +4}T T_surface_ref) / (q * t_PFA))

Aprēķina piemērs: k_ref=0.20 W/m·K, t_PFA=0.002 m, q=30,000 W/m2 (3 W/cm2). T_virsmas_ref Tad $1/k_{degraded}=1/0.20 + (108-95)/(30 000 \\times 0,002)=5 + 13/60=5.217$ $k_{degraded}=1/5.217=0.192$ Reduction%/m·m.Kmal Ja T_virsmas_degradēts=125 grāds, tad 1/k_degradēts=5+(125-95)/(60)=5+30/60=5.5, k_degraded=0.182 W/m·K, samazinājums=9%

Ko darīt ar rezultātiem
K samazinājums par 10–15% nozīmē būtisku stāvokļa pasliktināšanos. Sildītāju var turpināt lietot, taču tas ir jāpārbauda ik pēc trim mēnešiem. 15-25% kritums liecina par ievērojamu pasliktināšanos. Pēc 6 līdz 12 mēnešiem ieteicams nomainīt sildītāju. Un 25% samazinājums nozīmē nopietnu degradāciju. PFA var būt gandrīz bojāta, tāpēc nekavējoties nomainiet sildītāju. Samazinājums k norāda, ka iekšējās virsmas temperatūra ir augstāka par plānoto un degradācija ir paātrināta. Ja izmērītais k turpina samazināties paātrinātā tempā (piem., 10% kritums pirmajās 5000 stundās, 15% kritums nākamajās 2000 stundās), sildītājs ir atteices spirālē un ir jānomaina profilaktiski.

Ja laboratorijā vai objektā nav standarta sildītāja, reāls risinājums ir izmērīt PFA virsmas temperatūru ar iestatīto jaudu un salīdzināt to ar temperatūru, kad sildītājs bija jauns. Nepārtraukta virsmas temperatūras paaugstināšanās ar laiku (pie nemainīgas jaudas, šķidruma temperatūras un plūsmas) ilustrē k pasliktināšanos. 2,0 mm sienai pie 3 W/cm2 10 grādu T virsmas palielinājums noved pie ak samazināšanās par aptuveni 0,01–0,015 W/m·K (5–7%). 20 grādu palielinājums ir vienāds ar samazinājumu par 10–15%. Sildītāju nomaiņa ir nepieciešama, ja temperatūra paaugstinās par 30 grādiem vai vairāk.

Kopsavilkums: regulāri in{0}}situ mērījumi atklāj slēptu degradāciju
The thermal conductivity of a PFA sheath is reduced by 10-30% after 5,000 hours of exposure to oxidising acids (nitric, chromic, concentrated sulphuric) at elevated temperatures. This degradation can be assessed in-situ using a comparison approach with a reference heater with known stable k or by monitoring the increase of PFA surface temperature over time at constant operating circumstances. If the drop is >15%, tas norāda uz nopietnu pasliktināšanos, un 6-12 mēnešu laikā tai vajadzētu izraisīt plānoto nomaiņu. Ja samazinājums > 25%, nepieciešama ātra nomaiņa. Regulāri mērījumi (ik pēc 500–1000 stundām intensīvas oksidēšanas laikā) tiks nodrošināti agrīni brīdinājumi par apvalka noārdīšanos, pirms parādās acīmredzama plaisāšana vai pūslīšu veidošanās. Svarīgiem procesiem blakus katram apkopes sildītājam novietojiet atsauces sildītāju, lai nodrošinātu nepārtrauktu uzraudzību. Atsauces sildītāja izmaksas (200–500 USD) ir niecīgas, salīdzinot ar izmaksām par negaidītu kļūmi, kas izraisa vannas piesārņojumu un procesa traucējumus. Inženieri, kuriem nav piekļuves standarta sildītājiem, periodiski nosaka šķietamo virsmas temperatūras paaugstināšanos un nomaina sildītājus, kad temperatūras paaugstināšanās sasniedz 20 grādus virs bāzes vērtības tādos pašos darbības apstākļos. Siltumvadītspējas pasliktināšanās ir agrīns brīdinājums par PFA atteices tuvošanos — neaizmirstiet to.