2 bar の圧力で 70% 硫酸溶液中で 160 度を維持するために使用される PFA (パーフルオロアルコキシ) シーズ ヒーターの場合、抵抗線の境界面でのポリマーの熱劣化を防ぐための最大許容壁厚はいくらですか?

PFA (パーフルオロアルコキシ) シース ヒーターは、抵抗線との界面の温度がポリマーの連続使用温度 260 度未満に保たれるように、160 度、2 bar 圧力の 70% 硫酸用に設計する必要があります。 PFA 壁全体での温度降下は、式 ΔT=(q × t) / k で与えられます。ここで、q は熱流束 (W/m²)、t は壁の厚さ (m)、k は PFA の熱伝導率 (0.25 W/m・K) です。一般的な電力密度が 8 W/cm2 (80000 W/m2) で、バルク酸温度が 160 度の場合、ワイヤ温度を確保するための最大許容壁厚は、<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

PFAシースの熱分解メカニズム

抵抗線によって発生した熱は、PFA 壁を通って酸に伝わる必要があります。 T_wire=T_acid + ΔT はワイヤの界面の温度です。PFA は 260 度で軟化し始め、300 度を超えると劣化し始めます。長期的な信頼性を確保するには、ワイヤインターフェース温度が 260 度を超えないようにしてください。熱流束 q は電力密度 (W/cm2) で表され、ヒーターの定格電力と表面積の関数です。

ワイヤ温度と肉厚の定量的関係

160 度、70% H₂SO₄ の場合の電力密度 8 W/cm² (80,000 W/m²):

肉厚 (mm) PFA 全体の ΔT (度 ) ワイヤ温度 (度 ) PFA の状態 0.15 48 208 安全 0.20 64 224 安全 0.25 80 240 安全 0.31 100 260 最大許容値 0.35 112 272 劣化開始 0.40 128 288 軟化 0.50 160 320重大な劣化
さまざまな電力密度での最大許容壁厚

次の表は、160 度、70% H2SO4 中での PFA シーズ ヒーターの最大許容壁厚を電力密度の関数として示しています。

出力密度 (W/cm2) 厚さ mm あたりの ΔT (度 /mm)T ワイヤの最大肉厚<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
エンジニアリング上の考慮事項 1.

また、壁の厚さは 2 bar の内圧 (ヒーターがチューブの場合) および取り扱い荷重に耐え、必要な機械的強度を備えていなければなりません。圧力が 1 bar を超える場合は、熱計算に関係なく、最小の壁が 0.3 mm であることが推奨されます。この用途 (2 バール) では、熱的要件と機械的要件の間の妥協点として 0.3 ～ 0.35 mm の壁厚が必要です。壁が厚い場合は、電力密度を下げるか、ヒート スプレッダを追加する必要があります。

その他の方法

機械的完全性のために必要な壁の厚さが熱制限を超える場合は、次の方法で設計を変更できます。

電力密度の低減 (ヒーターの直径が長くまたは大きい)

より熱伝導性の高い材料を使用する (PEEK は k=0.32 W/m・K で、若干優れています)

金属製ヒートスプレッダを PFA シースに挿入

より高温のポリマーを使用する (260 度を超えるこの化学環境では利用できるものはありません)

十分な情報に基づいた仕様

ワイヤ接触を 260 度未満に保つため、160 度、2 bar 圧力の 70% 硫酸中で電力密度 8 W/cm2 の PFA シース ヒーターの最大肉厚は 0.31 mm です。機械的信頼性を保証するには、強化層を使用するか、電力密度を 6 W/cm2 に下げる必要があります。これにより、壁の厚さは 0.42 mm になります。エンジニアは壁の厚さと電力密度を制御して、抵抗線との境界面での PFA の熱劣化を回避します。