Para un calentador de vaina de PFA (perfluoroalcoxi) utilizado para mantener 160 grados en una solución de ácido sulfúrico al 70% a una presión de 2 bares, ¿cuál es el espesor de pared máximo permitido para evitar la degradación térmica del polímero en la interfaz del cable de resistencia?
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Los calentadores de vaina de PFA (perfluoroalcoxi) deben diseñarse para ácido sulfúrico al 70 % a 160 grados y 2 bar de presión, de modo que la temperatura en la interfaz del cable de resistencia se mantenga por debajo de la temperatura de servicio continuo del polímero de 260 grados. La caída de temperatura a través de la pared de PFA viene dada por la ecuación ΔT=(q × t) / k, donde q es el flujo de calor (W/m²), t es el espesor de la pared (m) y k es la conductividad térmica de PFA (0,25 W/m·K). Para una densidad de potencia típica de 8 W/cm2 (80000 W/m2) y una temperatura del ácido en masa de 160 grados, el espesor de pared más alto permitido para garantizar la temperatura del cable<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
Mecanismo de descomposición térmica de las vainas de PFA.
El calor generado por el cable de resistencia debe conducirse a través de la pared de PFA hasta el ácido. T_wire=T_acid + ΔT es la temperatura en la interfaz del cable. PFA comienza a ablandarse a 260 grados y comienza a degradarse por encima de 300 grados. Para una confiabilidad a largo plazo, la temperatura de la interfaz del cable no debe exceder los 260 grados. El flujo de calor q se expresa en densidad de potencia (W/cm2) y es función de la potencia nominal y la superficie del calentador.
Temperatura del alambre versus espesor de la pared cuantitativo
A 160 grados, densidad de potencia de 8 W/cm² (80.000 W/m²) para 70% H₂SO₄:
Espesor de pared (mm) ΔT A través de PFA (grados) Temperatura del cable (grados) Condición de PFA 0.15 48 208 Seguro 0.20 64 224 Seguro 0.25 80 240 Seguro 0.31 100 260 Máximo permitido 0.35 112 272 Comienza la degradación 0.40 128 288 Ablandamiento 0.50 160 320Deterioro severo de
Espesor de pared máximo permitido en varias densidades de potencia
La siguiente tabla muestra el espesor de pared máximo permitido para calentadores de funda de PFA en 70% H2SO4 a 160 grados en función de la densidad de potencia.
Densidad de potencia (W/cm2) ΔT por mm de espesor (grados/mm) Espesor máximo de pared para 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
Consideraciones de ingeniería 1.
El espesor de la pared también debe poder resistir la presión interna de 2 bar (si el calentador es de tubo) y soportar cargas y proporcionar la resistencia mecánica requerida. Para presiones superiores a 1 bar se recomienda una pared mínima de 0,3 mm, independientemente de los cálculos térmicos. Para esta aplicación (2 bar), un espesor de pared de 0,3 – 0,35 mm es un compromiso entre los requisitos térmicos y mecánicos. Si las paredes son más gruesas, es necesario reducir la densidad de potencia o agregar un disipador de calor.
Otros métodos
Si el espesor de pared necesario para la integridad mecánica excede el límite térmico, el diseño puede modificarse mediante:
Reducir la densidad de potencia (calentador de mayor o mayor diámetro)
Utilizar un material más conductor térmicamente (PEEK tiene k=0.32 W/m·K, un poco mejor)
Inserción de un disipador de calor metálico en la funda de PFA
Usar un polímero de temperatura más alta (no hay ninguno disponible para este entorno químico por encima de 260 grados)
Una especificación bien informada
Para mantener el contacto del cable por debajo de 260 grados, el espesor máximo de pared de un calentador de vaina de PFA con una densidad de potencia de 8 W/cm2 en ácido sulfúrico al 70 % a 160 grados y 2 bar de presión es de 0,31 mm. Para garantizar la fiabilidad mecánica, se debe utilizar una capa de refuerzo o reducir la densidad de potencia a 6 W/cm², lo que permite un espesor de pared de 0,42 mm. El ingeniero controla el espesor de la pared y la densidad de potencia para evitar la degradación por calor del PFA en la interfaz con el cable de resistencia.
