Termiskie robežnosacījumi, kas nosaka drošu darbību
Cietā hromēšanas līnijai, kas darbojas 55–60 grādu temperatūrā ar 250 g/l hromskābi, sildīšanai vai dzesēšanai ir nepieciešams PTFE siltummainis. Drošas darbības ietvaru nosaka četri termiskie robežnosacījumi.
Maksimālā sienas temperatūra.Caurules sienas temperatūra ir PTFE virsmas temperatūra, kas saskaras ar hromskābi. Degradācijas ātrums palielinās eksponenciāli līdz ar sienas temperatūru. 10 gadu kalpošanas laikā maksimālā sienu temperatūra ir aptuveni 180 grādi 250 g/l hromskābes. 5 gadu kalpošanas laikā maksimālais ir aptuveni 200 grādi.
Maksimālā siltuma plūsma.Siltuma plūsma ir siltuma pārneses ātrums uz caurules virsmas laukuma vienību. Siltuma plūsma nosaka temperatūras starpību caurules sienā un sienas temperatūru konkrētai procesa temperatūrai. 10 gadu kalpošanas laikā maksimālā siltuma plūsma ir aptuveni 1,5 W/cm² 0,8 mm sienai. Plānākai sienai ir pieļaujama lielāka siltuma plūsma.
Maksimālais temperatūras gradients pāri sienai.Temperatūras gradients ir temperatūras starpība visā caurules sienā, dalīta ar sienas biezumu. Gradients nosaka termisko spriegumu sienā. PTFE maksimālais pieļaujamais termiskais spriegums ir aptuveni 3–4 MPa, kas atbilst temperatūras gradientam 80–100 grādi /mm.
Maksimālā virsmas koncentrācija.Skābes koncentrācija uz caurules virsmas var būt augstāka par tilpuma koncentrāciju iztvaikošanas vai koncentrācijas polarizācijas dēļ. Augstāka koncentrācija palielina noārdīšanās ātrumu. Virsmas koncentrācija jāsaglabā 10% robežās no tilpuma koncentrācijas.
Sienas temperatūras ierobežojums
Sienu temperatūras robežu PTFE hromskābes lietošanā nosaka noārdīšanās ātrums. Degradācijas ātrums palielinās eksponenciāli līdz ar temperatūru, un ātrums aptuveni dubultojas par katru 10 grādu pieaugumu.
10 gadu kalpošanas laikam un 0,3 mm pieļaujamam sienas zudumam noārdīšanās ātrumam jābūt mazākam par 0,03 mm gadā. Temperatūra, kurā sadalīšanās ātrums ir vienāds ar 0,03 mm gadā 250 g/l hromskābē, ir aptuveni 180 grādi.
5 gadu kalpošanas laikā pieļaujamais noārdīšanās ātrums ir 0,06 mm gadā, un atbilstošā temperatūra ir aptuveni 200 grādi.
Sienu temperatūras robežu ietekmē skābes koncentrācija. Pie 500 g/l hromskābes sadalīšanās ātrums ir lielāks, un temperatūras robeža ir aptuveni 160 grādi 10 gadu kalpošanas laikam. Pie 100 g/l hromskābes temperatūras robeža ir aptuveni 200 grādi.
Siltuma plūsmas ierobežojums
Siltuma plūsmas ierobežojumu nosaka sienas temperatūras ierobežojums un caurules sienas termiskā pretestība. Noteiktai sienas temperatūrai pieļaujamā siltuma plūsma ir atkarīga no sienas biezuma un PTFE siltumvadītspējas.
0,8 mm sienai ar siltumvadītspēju 0,25 W/m·K, sienas termiskā pretestība ir 0,0032 m²·K/W. Sienas temperatūras ierobežojumam 180 grādi un procesa temperatūrai 60 grādi pieļaujamā temperatūras starpība sienā ir 120 grādi. Pieļaujamā siltuma plūsma ir 120 / 0.0032=37,500 W/m²=3.75 W/cm².
Praksē siltuma plūsmas ierobežojums ir zemāks, jo procesa -sānu plēves pretestība palielina kopējo pretestību un sienas temperatūra ir augstāka par procesa temperatūru. Procesa sānu plēves koeficientam 1000 W/m²·K, plēves pretestība ir 0,001 m²·K/W. Kopējā pretestība ir 0,0042 m²·K/W. Tai pašai temperatūras starpībai 120 grādi pieļaujamā siltuma plūsma ir 28 600 W/m²=2.86 W/cm².
Praktiskā siltuma plūsmas robeža hromskābes apkalpošanai ir aptuveni 1,5–2,0 W/cm², kas nodrošina plēves koeficienta un sienas temperatūras aprēķina nenoteiktības robežu.
Termiskā sprieguma robeža
Termiskais spriegums caurules sienā ir proporcionāls temperatūras gradientam pāri sienai, termiskās izplešanās koeficientam un elastības modulim. PTFE termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni 12 × 10⁻⁵/grādi, un modulis pie 60 grādiem ir aptuveni 400 MPa.
Temperatūras gradientam 100 grādi/mm (kas atbilst 80 grādu temperatūras starpībai 0,8 mm sienā) termiskais spriegums ir aptuveni 4,8 MPa. Tas pārsniedz pieļaujamo termisko spriegumu 3–4 MPa, kas nozīmē, ka gradients jāsamazina līdz 60–80 grādiem /mm.
Termiskā sprieguma robeža ir īpaši svarīga cauruļu -līdz-caurules lokšņu savienojuma vietām, kur sprieguma koncentrācija ir visaugstākā. Savienojuma konstrukcijai ir jāpielāgo termiskā izplešanās, neradot papildu slodzi uz caurules sienu.
Virsmas koncentrācijas ierobežojums
Skābes koncentrācija uz caurules virsmas var būt augstāka par tilpuma koncentrāciju iztvaikošanas vai koncentrācijas polarizācijas dēļ. Augstāka koncentrācija palielina noārdīšanās ātrumu.
Iztvaikošana notiek, kad caurules sienas temperatūra pārsniedz skābes viršanas temperatūru. 60 grādu temperatūrā un atmosfēras spiedienā 250 g/l hromskābes viršanas temperatūra ir aptuveni 105 grādi. Caurules sienas temperatūra ir zemāka par viršanas temperatūru, tāpēc iztvaikošana šajā gadījumā nerada bažas.
Koncentrācijas polarizācija notiek, ja skābe tiek patērēta caurules virsmā ātrāk, nekā to var papildināt difūzijas ceļā no lielākās daļas. Tas rada bažas elektroķīmiskajos procesos, kur pie katoda tiek reducēta hromskābe. Siltummaiņa caurules virsma nav elektrods, tāpēc koncentrācijas polarizācija nerada bažas.
Virsmas koncentrācija parasti ir 5% robežās no kopējās koncentrācijas hromskābes lietošanā. 10% rezerve ir pietiekama, lai ņemtu vērā nenoteiktību.
Drošas darbības aploksnes kvantitatīva noteikšana
Nākamajā tabulā ir apkopota droša darbības robeža PTFE siltummaiņam hromskābes lietošanā dažādās koncentrācijās un temperatūrās.
| Hromskābes koncentrācija | Maksimālā sienas temperatūra (10 gadu kalpošanas laiks) | Maksimālā sienas temperatūra (5 gadi) | Maksimālā siltuma plūsma (0,8 mm siena) | Maksimālā siltuma plūsma (0,5 mm siena) |
|---|---|---|---|---|
| 100 g/L | 200 grādi | 220 grādi | 2,5 W/cm² | 3,5 W/cm² |
| 250 g/L | 180 grādi | 200 grādi | 2,0 W/cm² | 3,0 W/cm² |
| 400 g/L | 165 grādi | 185 grādi | 1,7 W/cm² | 2,5 W/cm² |
| 500 g/L | 155 grādi | 175 grādi | 1,5 W/cm² | 2,2 W/cm² |
| 600 g/L | 145 grādi | 165 grādi | 1,3 W/cm² | 2,0 W/cm² |
Maksimālās sienas temperatūras vērtības pieņem 0,3 mm pieļaujamo sienas zudumu un noārdīšanās ātrumu, kas dubultojas par katru 10 grādu pieaugumu. Maksimālās siltuma plūsmas vērtības pieņem procesa temperatūru 60 grādi un procesa sānu plēves koeficientu 1000 W/m²·K.
Dizaina funkcijas, kas nodrošina drošus robežnosacījumus
Vairākas konstrukcijas iezīmes saglabā termiskos robežnosacījumus drošā apvalkā.
Lielāks virsmas laukums.Lielāks virsmas laukums samazina siltuma plūsmu noteiktai siltuma slodzei, kas samazina sienas temperatūru un termisko spriegumu.
Plānāka caurules siena.Plānāka siena samazina siltuma pretestību un sienas temperatūru tai pašai siltuma plūsmai. Taču plānāka siena samazina arī pieļaujamo sienas zudumu un kalpošanas laiku.
Lielāks procesa plūsmas ātrums.Lielāks plūsmas ātrums palielina procesa{0}}sānu plēves koeficientu un samazina sienas temperatūru.
Lielāks pakalpojuma{0}puses plūsmas ātrums.Lielāks apkopes šķidruma ātrums palielina apkopes{0}}puses plēves koeficientu un samazina sienas temperatūru.
Plūsmas sadales galvene.Plūsmas sadales uzgalis nodrošina vienmērīgu plūsmu cauri cauruļu saišķim, kas novērš lokalizētus karstos punktus.
Temperatūras uzraudzība.Temperatūras sensori pie siltummaiņa ieejas un izejas ļauj novērtēt sienas temperatūru un pielāgot darbības apstākļus.
Hromskābes pakalpojuma specifikācijas parametri
Iekārtu inženieriem, kas nosaka PTFE siltummaini hromskābes apkalpošanai, ar piegādātāju jāapstiprina šādi parametri.
Hromskābes koncentrācija.Norādiet maksimālo koncentrāciju un paredzamo diapazonu.
Darba temperatūra.Norādiet maksimālo darba temperatūru un paredzamo temperatūras profilu.
Siltuma slodze un virsmas laukums.Norādiet siltuma slodzi un nepieciešamo virsmas laukumu.
Siltuma plūsma.Norādiet maksimālo pieļaujamo siltuma plūsmu, pamatojoties uz sienas temperatūras ierobežojumu.
Caurules sieniņu biezums.Norādiet caurules sienas biezumu, pamatojoties uz siltuma plūsmu un kalpošanas laika prasībām.
Caurules materiāls.Norādiet caurules materiālu, pamatojoties uz sienas temperatūru un noārdīšanās ātrumu.
Plūsmas ātrums.Norādiet procesa -puses un pakalpojuma-puses plūsmas ātrumu.
Temperatūras uzraudzība.Norādiet temperatūras sensorus un uzraudzības metodi sienas temperatūras izsekošanai.
Prasība kalpošanas laikam.Norādiet paredzamo kalpošanas laiku un nomaiņas grafiku.
Termisko robežnosacījumu atbilstība kalpošanas laika prasībām
Termiskie robežnosacījumi, kas nosaka drošu PTFE siltummaiņa darbību hromskābes lietošanā, ir sienas temperatūra, siltuma plūsma, temperatūras gradients un virsmas koncentrācija. Šie apstākļi nosaka noārdīšanās ātrumu un kalpošanas laiku.
Sienas temperatūra jāuztur zem 180 grādiem 10 gadu kalpošanas laikā un zem 200 grādiem 5 gadu kalpošanas laikā. Siltuma plūsma jāuztur zem 2,0 W/cm² 0,8 mm sienai un zem 3,0 W/cm² 0,5 mm sienai. Temperatūras gradientam jābūt zem 80 grādiem / mm, lai ierobežotu termisko spriegumu.
Hromskābes servisa objektiem, kas novērtē PTFE siltummaiņa iespējas, termiskie robežnosacījumi ir jānorāda iepirkuma dokumentos un jāpārbauda, nododot ekspluatācijā. Ražotāja nodrošinātā noklusējuma konfigurācija var būt optimizēta kompaktumam, nevis kalpošanas laikam, un no tā izrietošie robežnosacījumi var pārsniegt drošo robežu.
Iekārtu inženieri un iepirkumu speciālisti, kas novērtē PTFE siltummaiņa specifikācijas hromskābes vai citas oksidējošas skābes pakalpojumam, var pieprasīt projekta pārskatīšanu, kas aptver skābes koncentrāciju, darbības temperatūru, siltuma plūsmu, caurules sieniņu biezumu, plūsmas ātrumu un temperatūras uzraudzību, lai pārliecinātos, ka iekārta atbilst faktiskajiem ekspluatācijas apstākļiem un iekārtas ekspluatācijas laika prasībām.
