Para um aquecedor de bainha PFA (perfluoroalcóxi) usado para manter 160 graus em uma solução de ácido sulfúrico a 70% a 2 bar de pressão, qual é a espessura máxima de parede permitida para evitar a degradação térmica do polímero na interface do fio de resistência?

Os aquecedores de bainha PFA (perfluoroalcóxi) devem ser projetados para ácido sulfúrico a 70% a 160 graus e 2 bar de pressão, de modo que a temperatura na interface com o fio de resistência permaneça abaixo da temperatura de serviço contínuo do polímero de 260 graus. A queda de temperatura na parede do PFA é dada pela equação ΔT=(q × t) / k, onde q é o fluxo de calor (W/m²), t é a espessura da parede (m) e k é a condutividade térmica do PFA (0,25 W/m·K). Para uma densidade de potência típica de 8 W/cm2 (80.000 W/m2) e uma temperatura ácida de 160 graus, a espessura de parede mais alta permitida para garantir a temperatura do fio<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 decomposição térmica de bainhas de PFA

O calor gerado pelo fio de resistência deve ser conduzido através da parede do PFA até o ácido. T_wire=T_acid + ΔT é a temperatura na interface do fio PFA começa a amolecer a 260 graus e começa a degradar acima de 300 graus. Para confiabilidade a longo prazo, a temperatura da interface do fio não deve exceder 260 graus. O fluxo de calor q é dado em densidade de potência (W/cm2) e é uma função da potência nominal e da área de superfície do aquecedor.

Temperatura do fio versus espessura da parede quantitativa

A 160 graus, densidade de potência de 8 W/cm² (80.000 W/m²) para 70% H₂SO₄:

Espessura da parede (mm) ΔT através do PFA (graus) Temperatura do fio (graus) Condição do 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 A degradação começa 0.40 128 288 Amolecimento 0.50 160 320Deterioração severa de
Espessura Máxima Permitida da Parede em Várias Densidades de Potência

A tabela a seguir mostra a espessura máxima permitida da parede para aquecedores de bainha PFA em 70% H2SO4 a 160 graus em função da densidade de potência.

Densidade de potência (W/cm2) ΔT por mm de espessura (graus /mm) Espessura máxima da parede 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
Considerações de Engenharia 1.

A espessura da parede também deve ser capaz de resistir à pressão interna de 2 bar (se o aquecedor for um tubo) e ao manuseio de cargas e fornecer a resistência mecânica necessária. Para pressões superiores a 1 bar recomenda-se uma parede mínima de 0,3 mm, independentemente dos cálculos térmicos. Para esta aplicação (2 bar), uma espessura de parede de 0,3 – 0,35 mm é um compromisso entre os requisitos térmicos e mecânicos. Se as paredes forem mais espessas, a densidade de potência precisa ser reduzida ou adicionado um dissipador de calor.

Outros métodos

Se a espessura de parede necessária para a integridade mecânica exceder o limite térmico, o projeto poderá ser alterado por:

Reduzindo a densidade de potência (aquecedor de diâmetro maior ou maior)

Usando um material mais termicamente condutor (PEEK tem k=0.32 W/m·K, um pouco melhor)

Inserindo dissipador de calor de metal na bainha PFA

Usando um polímero de temperatura mais alta (nenhum está disponível para este ambiente químico acima de 260 graus)

Uma especificação bem informada

Para manter o contato do fio abaixo de 260 graus, a espessura máxima da parede de um aquecedor de bainha PFA com densidade de potência de 8 W/cm2 em ácido sulfúrico a 70% a 160 graus e pressão de 2 bar é de 0,31 mm. Para garantir a fiabilidade mecânica, deve ser utilizada uma camada de reforço ou a densidade de potência deve ser reduzida para 6 W/cm², o que permite uma espessura de parede de 0,42 mm. O engenheiro controla a espessura da parede e a densidade de potência para evitar a degradação térmica do PFA na interface com o fio de resistência.