Γιατί ένας θερμαντήρας PFA που είναι εγκατεστημένος σε οριζόντιο προσανατολισμό σε μια δεξαμενή νιτρικού οξέος που βράζει δημιουργεί ρωγμές στην επάνω επιφάνεια εντός 6 μηνών;

Ένας οριζόντια εγκατεστημένος θερμαντήρας PFA σε δεξαμενή νιτρικού οξέος που βράζει (π.χ. 20–30% HNO3 στους 105–110 βαθμούς) δημιουργεί τακτικά περιφερειακές ρωγμές στην επάνω επιφάνεια μέσα σε 3–6 μήνες, ενώ ένας κατακόρυφα τοποθετημένος θερμαντήρας στην ίδια υπηρεσία μπορεί να διαρκέσει 2-3 χρόνια. Η επιταχυνόμενη οξειδωτική φθορά, η τοπική θέρμανση και η κάλυψη του ατμού συμβάλλουν στην αποτυχία. Ένα συνεχές στρώμα ατμού που μονώνει το PFA δημιουργείται καθώς οι φυσαλίδες βρασμού ανεβαίνουν και συγκεντρώνονται κατά μήκος της κορυφής του οριζόντιου σωλήνα. Ενώ ο πυθμένας εξακολουθεί να ψύχεται από υγρό, η θερμοκρασία της πάνω επιφάνειας αυξάνεται από τους τυπικούς 115–120 βαθμούς σε 180–250 βαθμούς. Το PFA οξειδώνεται έντονα από έντονο ατμό νιτρικού οξέος που περιορίζεται πίσω από την κουβέρτα. Η γρήγορη ευθραυστότητα, το ράγισμα και τελικά η διάτρηση είναι τα αποτελέσματα. Για τα οξέα που βράζουν, ο οριζόντιος προσανατολισμός είναι ουσιαστικά ακατάλληλος. Συνιστάται ιδιαίτερα η κάθετη εγκατάσταση.

Μηχανισμός Ατμοσυστρώματος Οριζόντιων Θερμοσίφωνων
Φυσαλίδες ατμού εμφανίζονται σε όλη την επιφάνεια του θερμαντήρα κατά τη διάρκεια του βρασμού των πυρηνικών. Οι φυσαλίδες χωρίζονται γρήγορα και ανεβαίνουν σε κάθετη θερμάστρα, σκουπίζοντας την επιφάνεια και διατηρώντας την επαφή με το υγρό. Οι φυσαλίδες που δημιουργούνται στο κάτω μισό ενός οριζόντιου θερμαντήρα ανεβαίνουν και προσκρούουν στο πάνω μισό, όπου συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα συνεχές ή ημι{2}}συνεχές στρώμα ατμού. Κάτω από την κουβέρτα ατμού, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μειώνεται από 5.000–10.000 W/m²·K (βρασμός υγρού) σε 100–300 W/m²·K (υμένιο ατμού). Η θερμοκρασία της επιφάνειας κάτω από την κουβέρτα ατμού αυξάνεται σε T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30.000/200=260 βαθμός για σταθερή ροή θερμότητας 3 W/cm² (30.000 W/m²). Αυτή είναι πάνω από την ασφαλή θερμοκρασία συνεχούς χρήσης του PFA των 200 μοιρών και πλησιάζει το σημείο τήξης των 305 βαθμών. Υπό θερμική καταπόνηση, το PFA μαλακώνει, οξειδώνεται γρήγορα σε ατμό νιτρικού οξέος και διασπάται.

Η διαλείπουσα υγρασία προκαλεί κυκλική τάση και στην επάνω επιφάνεια. Η θερμοκρασία κυμαίνεται κάθε λίγα δευτερόλεπτα μεταξύ 110 μοιρών και 260 μοιρών όταν η κουβέρτα ατμού σχηματίζεται και καταρρέει. Οι περιφερειακές ρωγμές παράγονται από αυτό το θερμικό σοκ σε χιλιάδες κύκλους (ημέρες έως εβδομάδες).

Σύγκριση οριζόντιας και κάθετης απόδοσης σε βρασμό 25% HNO3 στους 108 βαθμούς
Προσανατολισμός Έναρξη ρωγμών (μήνες) Θερμοκρασία κορυφής επιφάνειας ( βαθμός ) Θερμοκρασία κάτω επιφάνειας ( βαθμός )Κύρια λειτουργία αστοχίας Σχετική διάρκεια ζωής Οριζόντια (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Περιφερικές ρωγμές στην κορυφή 1,0× κυκλικές 5/0 για. 160–190 130–140 8–12 Γενική υποβάθμιση 2,0× Κατακόρυφη (ίδια θέρμανση) 115–125 115–125 24–366–8 χρόνια ομοιόμορφης παλαίωσης
Οριζόντια με ασπίδα ατμού (διάτρητο μεταλλικό κάλυμμα πάνω) 130–150 120–130 18–24 Διάβρωση στις άκρες της θωράκισης 4–5× Οριζόντια, με μείωση σε 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Ακόμα ρωγμές 3× Γιατί νιτρικό οξύ
Ένας ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας είναι το νιτρικό οξύ. Με την οξείδωση των άκρων της αλυσίδας και το σχηματισμό ομάδων καρβονυλοφθοριδίου, ο ατμός HNO3 διασπά γρήγορα το PFA στους 200 βαθμούς. Η επιφάνεια αναπτύσσει μικρορωγμές και γίνεται εύθραυστη (η σκληρότητα αυξάνεται από 66 σε 78 Shore D). Από την άλλη πλευρά, τα μη οξειδωτικά οξέα ή το καθαρό νερό αποικοδομούνται πιο αργά. Ένας αυτο-κύκλος αστοχίας που επιταχύνεται δημιουργείται όταν συνδυάζονται νιτρικό οξύ και κάλυμμα ατμού: η κουβέρτα ατμού ενισχύει τη θερμοκρασία, επιταχύνοντας την οξείδωση, αυξάνοντας την τραχύτητα της επιφάνειας, που ενθαρρύνει την πρόσφυση των φυσαλίδων, που ενισχύει την κουβέρτα ατμού.

Παράδειγμα στο Πεδίο
Σε μια δεξαμενή 2.000 L που βράζει 25% HNO3 (108 μοίρες), μια χημική μονάδα έβαλε οριζόντια έναν θερμαντήρα PFA 6 kW. Τέσσερις μήνες αργότερα, ένα σφάλμα γείωσης προκάλεσε τη διακοπή της θέρμανσης. Μετά από έλεγχο, εντοπίστηκε περιφερειακή σχισμή 5 cm με σημαντική ευθραυστότητα και κιτρίνισμα στην επάνω επιφάνεια. Η κάθετη θερμάστρα στο ίδιο ντεπόζιτο στο ίδιο εργοστάσιο λειτουργούσε άψογα για τριάντα μήνες. Η εγκατάσταση δεν είχε άλλες πρώιμες βλάβες μετά την αντικατάσταση του οριζόντιου θερμαντήρα με κάθετη εγκατάσταση. Για οποιαδήποτε υπηρεσία βρασμού οξέος, η οριζόντια τοποθέτηση απαγορεύεται πλέον.

Μείωση των Απαραίτητων Οριζόντιων Εγκαταστάσεων
Τρία βήματα μειώνουν τον κίνδυνο ρωγμής της πάνω επιφάνειας εάν δεν μπορεί να αποφευχθεί ο οριζόντιος προσανατολισμός (ρηχές δεξαμενές, περιορισμοί χώρου):

Εγκαταστήστε μια ασπίδα ατμού: Για να αποφύγετε μια συνεχή κουβέρτα ατμών και να διαταράξετε τη συνένωση φυσαλίδων, τοποθετήστε μια διάτρητη πλάκα από ανοξείδωτο χάλυβα με οπές 5 mm και 40% ανοιχτή περιοχή 10–20 mm πάνω από τη θερμάστρα. Η ασπίδα λειτουργεί σε συγκρίσιμη θερμοκρασία, αλλά επειδή είναι μεταλλική, δεν μπορεί να οξειδωθεί.

Χαμηλότερη πυκνότητα watt: Ακόμη και με μερική κάλυψη ατμών, διατηρήστε τη θερμοκρασία της άνω επιφάνειας κάτω από 150 βαθμούς λειτουργώντας σε λιγότερο ή ίσο με 1,5 W/cm².

Ενσωματώστε την εξαναγκασμένη κυκλοφορία: Πριν συγχωνευτούν οι φυσαλίδες, παρασύρονται από την επάνω επιφάνεια από έναν αναδευτήρα ή μια αντλία ανακυκλοφορίας που κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από 0,3 m/s.

Η εβδομαδιαία περιστροφή του θερμαντήρα 180 μοιρών κατανέμει το θερμικό φορτίο αλλά απλώς αναβάλλει την αστοχία.

Συμπερασματικά, το γρήγορο ράγισμα της άνω επιφάνειας προκαλείται από οριζόντια τοποθέτηση σε νιτρικό οξύ που βράζει.
Μέσα σε τρεις έως έξι μήνες, η κάλυψη ατμού προκαλεί την εμφάνιση περιφερειακών ρωγμών στην επάνω επιφάνεια ενός θερμαντήρα PFA που τοποθετείται οριζόντια σε μια δεξαμενή νιτρικού οξέος που βράζει. Καθώς οι φυσαλίδες συσσωρεύονται στην κορυφή, δημιουργείται ένα μονωτικό στρώμα ατμού, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του PFA πάνω από 200 βαθμούς και επιταχύνοντας το ράγισμα με θερμικό σοκ και την οξειδωτική υποβάθμιση. Αφαιρώντας την κουβέρτα ατμού, ο κατακόρυφος προσανατολισμός αυξάνει τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα σε δύο έως τρία χρόνια. Η οριζόντια τοποθέτηση πρέπει να αποφεύγεται όταν αντιμετωπίζετε οξέα που βράζουν. Χρησιμοποιήστε αναγκαστική κυκλοφορία, χαμηλότερη πυκνότητα watt ή τοποθετήστε ασπίδες ατμού εάν δεν μπορείτε να το αποτρέψετε. Η επάνω επιφάνεια ενός οριζόντιου θερμαντήρα σε βραστό οξύ είναι μια συνταγή για καταστροφή. Αντικαταστήστε το συχνά ή τοποθετήστε το κάθετα.