Tveganje usedanja, ki ga nerjavno jeklo ne more odpraviti
Linija za brezelektrično nikljanje, ki deluje pri 88–92 stopinjah s kopeljo z zmanjšano vsebnostjo hipofosfitov-poroča, da toplotni izmenjevalnik iz nerjavečega jekla po približno 300 urah delovanja nastaja na površini cevi. Nanos je tanek in lepljiv ter zmanjšuje koeficient toplotne prehodnosti. Sčasoma se usedlina poveča in izmenjevalnik toplote je treba odstraniti zaradi čiščenja ali zamenjave.
Obloga nastane, ker je nerjavno jeklo katalitično aktivno za reakcijo brezelektrične redukcije niklja. Kopel je metastabilna, kar pomeni, da bo odložila nikelj na katero koli katalitično površino, če so pogoji temperature in koncentracije naklonjeni reakciji. Površina cevi izmenjevalnika toplote je na temperaturi kopeli, v mejni plasti na steni cevi pa lahko temperatura in koncentracija presežeta prag za spontano usedanje.
Nerjaveče jeklo prav tako sprošča sledi kovinskih ionov v kopel zaradi korozije in ti ioni lahko delujejo kot katalizatorji za reakcijo usedanja. Zaradi kombinacije katalitične površine in kovinskih ionov v sledovih je nerjavno jeklo visoko-nevaren material za brezelektrično uporabo niklja.
Zakaj PTFE odpravi mehanizem nanašanja
PTFE ni katalitično aktiven za reakcijo brezelektrične redukcije niklja. Površina je kemično inertna, polimer pa ne sprošča kovinskih ionov v kopel. Kopel lahko pride v stik s površino PTFE brez odlaganja niklja, tudi pri temperaturah in koncentracijah, ki bi povzročile odlaganje na nerjavnem jeklu.
Ne{0}}oprijemljiva površina PTFE zmanjša tudi oprijem kakršne koli usedline, ki nastane. Če se delci niklja odložijo na površino PTFE iz razsute kopeli, je manj verjetno, da se bodo prijeli, in jih je mogoče odstraniti s tokom kopeli. Površina PTFE ne zagotavlja mest nukleacije, ki jih zagotavlja nerjavno jeklo.
Odprava mehanizma katalitičnega nanašanja je glavni razlog, da je PTFE določen za brezelektrične nikljeve toplotne izmenjevalnike. PTFE enota ne tvori usedlin niklja, ki pestijo enote iz nerjavečega jekla, in zmogljivost prenosa toplote ostane stabilna v celotni življenjski dobi.
Toplotna menjava-teflona
Odprava tveganja usedanja ima toplotne stroške. PTFE ima toplotno prevodnost 0,25 W/m·K v primerjavi s 16 W/m·K za nerjavno jeklo. Razmerje je približno 64:1.
Za izmenjevalnik toplote, ki oddaja 20 kW v brezelektrični nikljevi kopeli pri 90 stopinjah, zahteva enota iz nerjavečega jekla približno 2 m² površine na podlagi skupnega koeficienta toplotnega prenosa 800 W/m²·K in logaritemske srednje temperaturne razlike 15 stopinj. PTFE enota za isto delovanje zahteva približno 8 m² površine na podlagi skupnega koeficienta 200 W/m·K in enake temperaturne razlike.
PTFE enota je 4-krat večja od enote iz nerjavečega jekla. Večja velikost poveča stroške kapitala, tlorisno površino in prostornino tekočine. Nižji toplotni tok zmanjša temperaturo stene cevi, kar je ugodno za stabilnost kopeli, vendar večja površina zagotavlja tudi več površine za usedline in zahteva več časa za čiščenje.
Temperaturna razlika v steni
Temperatura stene cevi je kritičen parameter pri brezelektrični uporabi niklja, ker hitrost nanašanja narašča s temperaturo. Temperatura stene je odvisna od toplotnega toka in toplotne upornosti stene cevi in filmov tekočine.
Pri toplotnem izmenjevalniku iz nerjavečega jekla s toplotnim tokom 1,0 W/cm² in debelino stene 1,0 mm je temperaturna razlika čez steno približno 0,6 stopinje. Temperatura stene je blizu temperature delovne tekočine, ki je običajno 10–15 stopinj nad temperaturo kopeli. Če ima servisna tekočina 105 stopinj in kopel 90 stopinj, je temperatura stene približno 104 stopinje.
Pri toplotnem izmenjevalniku PTFE z enakim toplotnim tokom in debelino stene 0,8 mm je temperaturna razlika čez steno približno 32 stopinj. Temperatura stene je približno 122 stopinj, kar je precej nad temperaturo servisne tekočine in precej nad temperaturo kopeli.
Višja temperatura stene v PTFE enoti poveča tveganje za razgradnjo kopeli na površini cevi. Mehanizem nanašanja se razlikuje od katalitskega nanašanja na nerjavno jeklo, vendar lahko visoka temperatura stene povzroči razgradnjo kopeli in nastanek delcev niklja, ki se nalagajo na površini cevi.
Primerjava dveh materialov pri brezelektrični uporabi niklja
Naslednja tabela povzema značilnosti delovanja in stroškov toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE in nerjavečega jekla v brezelektrični uporabi z nikljem pri 90 stopinjah s toplotno obremenitvijo 20 kW.
| Značilno | Toplotni izmenjevalnik iz nerjavečega jekla | PTFE izmenjevalnik toplote | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplotna prevodnost | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Nerjaveče jeklo |
| Potrebna površina za 20 kW | 2 m² | 8 m² | Nerjaveče jeklo |
| Tveganje katalitičnega odlaganja | visoko | Noben | PTFE |
| Temperatura stene cevi | 104 stopinje | 122 stopinj | Nerjaveče jeklo |
| Nevarnost razgradnje kopeli na steni | Nizka | Zmerno | Nerjaveče jeklo |
| Oprijem nanosa | visoko | Nizka | PTFE |
| Kemična odpornost na kopel | Dobro | Odlično | PTFE |
| Življenjska doba | 1–2 leti | 5–8 let | PTFE |
| Stroški kapitala za dajatev 20 kW | $8,000 | $22,000 | Nerjaveče jeklo |
| Letni stroški vzdrževanja | $6,000 | $2,000 | PTFE |
| Tveganje izgube proizvodnje | visoko | Nizka | PTFE |
| Pet{0}}letni skupni strošek | $58,000 | $32,000 | PTFE |
Pet{0}}letne skupne vrednosti stroškov predvidevajo proizvodno vrednost 500 USD na uro in vključujejo kapitalske stroške, stroške vzdrževanja in izgubo proizvodnje v petih letih.
Tveganje razgradnje kopeli v PTFE enotah
Visoka temperatura stene cevi v PTFE toplotnem izmenjevalniku ustvarja drugačno tveganje od katalitskega nanosa na nerjavno jeklo. Kopel se lahko razgradi na površini cevi, če temperatura stene preseže prag razgradnje, ki je običajno 95–100 stopinj za kopeli z zmanjšano vsebnostjo hipofosfita.
Pri razgradnji v kopeli nastanejo delci niklja, ki se lahko odložijo na površino cevi in obdelovancev. Obloge na obdelovancih povzročajo hrapavost in težave pri oprijemu. Obloge na površini cevi zmanjšajo koeficient toplotnega prehoda in zahtevajo čiščenje.
Tveganje razgradnje kopeli je mogoče obvladati z nadzorom toplotnega toka. Nižji toplotni tok zmanjša temperaturo stene cevi in jo ohranja pod pragom razgradnje. Toplotni tok 0,8–1,0 W/cm² je priporočljiv za PTFE toplotne izmenjevalnike v uporabi brez električnega niklja v primerjavi z 1,5–2,0 W/cm² za enote iz nerjavečega jekla.
Oblikovne funkcije, ki upravljajo kompromise-za PTFE
Več konstrukcijskih značilnosti upravlja s toplotnimi in mehanskimi-kompromisi toplotnih izmenjevalnikov PTFE pri brezelektrični uporabi niklja.
Večja površina.Večja površina zmanjša toplotni tok za določeno toplotno obremenitev, kar zmanjša temperaturo stene cevi in tveganje razgradnje kopeli.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in temperaturo stene za dani toplotni tok.
Večja hitrost procesnega toka.Višja hitrost pretoka poveča koeficient filma-na stran procesa in zmanjša temperaturo stene.
Zbirka porazdelitve toka.Zbirka za porazdelitev pretoka zagotavlja enakomeren pretok po cevnem snopu, kar preprečuje lokalizirana vroča mesta.
-Določila za čiščenje na mestu.Priključki za dovod in povratek čistilne raztopine omogočajo čiščenje izmenjevalnika toplote brez demontaže, kar zmanjša čas izpada in izgubo proizvodnje.
Nadzor temperature.Temperaturni senzorji na vhodu in izstopu toplotnega izmenjevalnika omogočajo spremljanje prenosa toplote, kar omogoča zgodnje odkrivanje umazanije ali razgradnje.
Parametri specifikacije za brezelektrično uporabo niklja
Inženirji opreme, ki ocenjujejo PTFE in toplotne izmenjevalnike iz nerjavečega jekla za uporabo brez električnega niklja, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Kopalna kemija.Določite sestavo kopeli, vključno z virom niklja, redukcijskim sredstvom in stabilizatorji.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in zahtevano površino za vsako možnost materiala.
Omejitev toplotnega toka.Določite največji dovoljeni toplotni tok. Za enote iz PTFE je priporočen toplotni tok 0,8–1,0 W/cm².
Debelina stene cevi.Določite debelino stene cevi. Debelina 0,5–0,7 mm zmanjša temperaturo stene.
Hitrost pretoka.Določite najmanjšo hitrost-na strani procesa. Priporočena hitrost je 0,8–1,2 m/s.
Sredstva za čiščenje.Določite priključke in ventile, potrebne za-čiščenje na mestu.
Nadzor temperature.Določite temperaturne senzorje in način spremljanja.
Ujemanje izbire materiala z zahtevami glede stabilnosti kopeli
Izbira med PTFE in toplotnimi izmenjevalniki iz nerjavečega jekla pri storitvah brez električnega niklja je odvisna od zahtev glede stabilnosti kopeli, toplotne obremenitve in proizvodne vrednosti. Nerjaveče jeklo ima višjo toplotno prevodnost in zahteva manjšo površino, vendar je katalitično aktivno in spodbuja odlaganje niklja. PTFE odpravi mehanizem katalitskega odlaganja, vendar ima višjo temperaturo stene cevi, ki zahteva skrbno kontrolo toplotnega toka.
Odločitev o izbiri mora temeljiti na-specifični analizi objekta, ki vključuje stroške kapitala, stroške vzdrževanja in izpostavljenost izgubam pri proizvodnji. Preprost model preglednice s temi komponentami stroškov zagotavlja informacije, potrebne za odločitev.
Za linije za brezelektrično nikljanje, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika, mora izbira materiala temeljiti na skupnih stroških lastništva v pričakovani življenjski dobi, ne le na kapitalskih stroških ali toplotni učinkovitosti. Enota iz nerjavečega jekla z nižjimi kapitalskimi stroški ima lahko višje stroške v življenjski dobi, če zahteva pogosto čiščenje in zamenjavo.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za brezelektrično nanašanje niklja ali druge storitve, ki so-nagnjene katalizatorju, lahko zahtevajo pregled zasnove, ki zajema kemijo kopeli, delovno temperaturo, mejne vrednosti toplotnega toka, debelino stene cevi, hitrost pretoka in določbe za čiščenje, da potrdijo, da se enota ujema z dejanskimi zahtevami glede stabilnosti kopeli in strukturo stroškov objekta.
