Com mesurar la degradació de la conductivitat tèrmica in-in situ d'una funda de PFA després de 5.000 hores en àcids oxidants?

Amb el pas del temps, els àcids oxidants com l'àcid nítric (HNO₃), l'àcid cròmic (H₂CrO₄) i l'àcid sulfúric concentrat (H₂SO₄) descomponen el PFA incorporant grups funcionals polars (carbonil, carboxil, sulfonat) a la columna vertebral del polímer i a les zones amorfes. Aquesta degradació química canvia les propietats de transport tèrmic del PFA, amb la conductivitat tèrmica (k) que normalment disminueix un 10-30% després de 5.000 hores a temperatura elevada. Una k més baixa condueix a una caiguda de temperatura més gran a través de la beina per al mateix flux de calor, la qual cosa augmenta la temperatura de la superfície interna del PFA i accelera encara més la degradació en un bucle de retroalimentació positiva. Un enfocament de comparació per mesurar la degradació de la conductivitat tèrmica in situ no necessita retirar l'escalfador del servei. La temperatura superficial de l'escalfador es mesura a un flux de calor i una temperatura del fluid coneguts i el valor k aparent es calcula a partir de l'equació de conducció de calor. La degradació s'indica per una k calculada decreixent amb el temps. Les mesures regulars (cada 500 a 1.000 hores) permeten observar la degeneració de la beina abans que falla visualment.

-Mètode de mesura in situ
Per a un escalfador PFA en funcionament estacionari, el flux de calor q (W/m^2) a través de la funda es determina a partir de l'entrada de potència elèctrica i la superfície de l'escalfador (q=P_elec*η / A, on η és l'eficiència de calefacció, normalment 0,95-0,98 per als escalfadors submergits). La temperatura del fluid T del fluid es mesura amb un termopar calibrat. La temperatura de la superfície exterior del PFA, T superfície , es pot mesurar mitjançant un dels mètodes següents: (1) un termoparell de pel·lícula fina-unit a la funda amb cinta d'alta temperatura i pasta tèrmica (mesura puntual); (2) una càmera infraroja (requereix un líquid transparent i accés); o (3) un detector de temperatura de resistència (RTD) subjectat a la funda. La diferència de temperatura a través de la paret de PFA és ΔT_PFA=T_surface_inner - T_surface_outer Tanmateix, la temperatura de la superfície interior no és fàcilment quantificable. Utilitzant tota la caiguda de temperatura des del nucli metàl·lic (T_core) fins al fluid: T_core tampoc és accessible. La tècnica pràctica aprofita el fet que el principal obstacle és el propi mur de PFA. L'equació de transferència de calor es re-ordenada com q=(T_surface_outer - T_fluid) × h on h és el coeficient de transferència de calor convectiva. Però h és desconegut i varia. En canvi, mesura T_surface_outer a dos nivells de potència diferents (q1 i q2) en condicions de flux idèntiques. La diferència cancel·la h: ΔT_surface=(q2 - q1) * (t_PFA/k) per tant k=(q{2 - q1) * t_PFA / ΔT_surface. La tècnica diferencial no requereix el coneixement de T_core o h.

Feu funcionar un escalfador amb t_PFA=2.0 mm a q1=2.0 W/cm² (20.000 W/m²) i q2=3.0 W/cm² (30.000 W/m²). Mesureu T_superfície per a cada potència, T1=95 grau , T2=115 grau , T_fluid=80 grau (constant) ΔT_surface=20C Després k=(30000-20000-20000) *-20000) *. / 20=1.0 W/mK Això és tècnicament impossible (PFA k és 0,19-0,22). La diferència revela que la $\\Delta T_{superfície}$ mesurada incorpora les variacions en h amb les condicions de temperatura i cabal. La tècnica diferencial requereix h constant. Això rarament és així. Una manera més precisa és utilitzar un escalfador de referència amb k conegut i estable (per exemple, un escalfador PFA nou o un escalfador metàl·lic) al costat de l'escalfador degradat. Mesureu T_surface d'ambdós escalfadors en idèntiques condicions de q i mateix fluid. La major superfície T de l'escalfador deteriorat implica una major resistència tèrmica. k_degraded=k_reference * (T_surface_reference - T_fluid) / (T_surface_degraded - T_fluid) La precisió d'aquest procediment comparatiu és de ±10-15 per cent.

k esperada Degradació en àcids oxidants
Àcid oxidant Concentració Temperatura (graus) Temps d'exposició (hores) k inicial (W/m·K) k degradat (W/m·K) Reducció (%) Mecanisme
Àcid nítric 30% 90 5,000 0.20 0.17-0.18 10-15% Formació de carbonil
Àcid nítric 70 % 100 5,000 0.20 0.14-0.16 20-30 %Oxidació superficial intensa
Àcid cròmic 50 g/L 60 5,000 0.20 0.16-0.18 10-20%Sulfonació de superfícies
Àcid sulfúric 96% 120 5,000 0.20 0.15-0.17 15-25% Sulfonació + deshidratació
Àcid sulfúric 96% 140 2000 0.20 0.12–0.14 30–40%Deteriorament greu (no recomanat durant 5000 h)
Àcid mixt (HNO₃/HF) 20/5% 80 5,000 0.20 0.16–{0.18 10–20% Assalt sinèrgic
Piranya (H 2 SO 4 /H 2 O 2 ) 3:1 120 1,000 (vida curta) 0.20 0.10-0.12 40-50% oxidació severa
Procediment de mesura pas a pas
Mesura de referència: per a un escalfador nou, mesura k amb el valor aprovat pel fabricant o la mesura de laboratori (ASTM E1530) en una mostra del mateix lot d'extrusió. Si és possible, instal·leu un escalfador de referència (nou) en paral·lel a l'escalfador de servei.

Configuració-in situ: s'uneixen 3 termoparells a la superfície de PFA al punt previst més calent (normalment a 10-20 cm de l'extrem fred), de longitud mitjana- i prop de la part inferior. Utilitzeu pasta tèrmica per a un bon contacte. La unió del termopar s'ha d'aïllar del fluid mitjançant una petita tapa de goma de silicona per mesurar la temperatura de la superfície real (no influenciada pel flux del fluid). Alternativament, es pot fer una mesura sense contacte amb una càmera d'infrarojos a través d'un visor.

Les circumstàncies d'estat estacionari són: Fer funcionar el dipòsit al punt de consigna normal i fluir durant un mínim d'1 hora per aconseguir l'equilibri tèrmic. 3. Registrar la temperatura de la superfície de PFA en 3 punts, la temperatura del fluid (múltiples ubicacions), l'energia elèctrica (tensió x corrent) Calcular el flux de calor real: q=(V×I×η)/A, on η és el factor d'eficiència que té en compte les pèrdues de calor a través del tanc (en general) 0,90–0,95 per a tancs bé-aïllats, 0,80–0,85 per a tancs no aïllats). A=π × D × L_sub

Calculeu el k aparent: t_PFA * (T_core - T_surface)=q / k Com que el T_core és desconegut, s'hauria d'utilitzar l'enfocament de l'escalfador de referència: T_surface_ref=T_fluid + q*(t_PFA/k_ref + 1/h) per a l'escalfador de referència (conegut, k_fluid). T_surface_degraded=T_fluid + q × (t_PFA/k_degraded + 1/h) per a l'escalfador degradat. Resteu les dues equacions (les mateixes q i h): T_surface_degraded - T_surface_ref=qx t_PFA x (1/k_degraded - 1/k_ref) Resol per a k_degraded=1 / (1/k_ref + (T_surface{4_de)_degradat (T_surface /4_de) * t_PFA))

Exemple de càlcul: k_ref=0.20 W/m·K, t_PFA=0.002 m, q=30,000 W/m2 (3 W/cm2). T_surface_ref=95 grau , T_surface_degraded=108 grau , T_fluid=80 grau . Aleshores $1/k_{degradat}=1/{0.20 + (108-95)/(30.000 \\times 0,002)=5 + 13/{60=5.217$ $k_{degradat}=1/5.217=0.192$ reducció de degradació mínima 4%·K Si T_surface_degraded=125 grau, llavors 1/k_degraded=5+(125-95)/(60)=5+30/{60=5.5, k_degraded{=0.182 W/m·K, reducció=9%

Què fer amb els resultats
La disminució de k del 10-15% implica un deteriorament substancial. L'escalfador es pot continuar utilitzant, però s'ha de revisar cada tres mesos. Una caiguda del 15-25% suggereix un deteriorament considerable. En 6 a 12 mesos, es recomana substituir l'escalfador. I una reducció del 25% significa una degradació greu. El PFA podria estar a punt de fallar, per tant, substituïu l'escalfador immediatament. La reducció k indica que la temperatura de la superfície interior és superior a la prevista i la degradació s'accelera. Si la k mesurada continua disminuint a un ritme accelerat (per exemple, un descens del 10% en les primeres 5.000 hores, un descens del 15% en les 2.000 hores següents), l'escalfador es troba en una espiral de fallada i s'ha de substituir preventivament.

Si el laboratori o la instal·lació no disposa d'un escalfador de referència, una opció viable és mesurar la temperatura de la superfície del PFA a una potència establerta i comparar-la amb la temperatura quan l'escalfador era nou. Un augment continu de la temperatura superficial amb el temps (a potència constant, temperatura del fluid i flux) il·lustra el deteriorament de k. Per a una paret de 2,0 mm a 3 W/cm2 , un augment de 10 graus de la superfície T condueix a una reducció ak d'uns 0,01-0,015 W/m·K (5-7%) . 20 graus d'augment equival a una reducció del 10-15%. Cal substituir els escalfadors amb un augment de 30 graus o més.

Resum: la mesura regular in-situ k detecta una degradació oculta
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%, indica una degradació greu i hauria de provocar una substitució programada en un termini de 6-12 mesos. Si la reducció és > 25%, cal una substitució ràpida. L'avís precoç de la degradació de la funda abans que apareguin esquerdes o butllofes aparents es proporcionarà mitjançant mesures regulars (cada 500-1.000 hores en servei d'oxidació vigorosa). Per a processos importants, col·loqueu un escalfador de referència al costat de cada escalfador de servei per permetre un seguiment continu. El cost d'un escalfador de referència (200-500 dòlars) és trivial en comparació amb el cost d'una fallada inesperada que provoca la contaminació del bany i la interrupció del procés. Els enginyers sense accés als escalfadors de referència han de determinar periòdicament l'augment aparent de la temperatura de la superfície i substituir els escalfadors quan l'augment de la temperatura arribi a 20 graus per sobre del valor de referència en les mateixes condicions de funcionament. La degradació de la conductivitat tèrmica és un avís primerenc de l'aproximació de la fallada del PFA; no ho passeu per alt.