ऑक्सीकरण एसिड या उच्च तापमान वाले पानी में 2 साल की सेवा के बाद, सतह के क्षरण, श्रृंखला ऑक्सीकरण और भराव की कमी के कारण पीएफए की तापीय चालकता (k) 15-25% तक कम हो सकती है। K में 20% की कमी का मतलब है कि समान दीवार की मोटाई (t) 25% अधिक तापीय प्रतिरोध (R=t/k) प्रस्तुत करती है। म्यान में समान तापमान में गिरावट (ΔT) और समान धातु कोर तापमान बनाए रखने के लिए, दीवार की मोटाई कम होनी चाहिए, न कि बढ़नी चाहिए - क्योंकि k गिरा है। रुको, यह उल्टा है। यदि k गिरता है, तो समान ताप प्रवाह q के लिए, ΔT=q × (t/k) बढ़ता है। ΔT को स्थिर रखने के लिए (कोर को अधिक गर्म होने से बचाने के लिए), आपको t को कम करना होगा। लेकिन आप टी को कम नहीं कर सकते - हीटर पहले से ही निर्मित है। सही दृष्टिकोण: एक ही q पर, कोर तापमान बढ़ जाता है। कोर तापमान को सुरक्षित रखने के लिए, आपको या तो क्यू (डीरेट पावर) को कम करना होगा या कम जीवन स्वीकार करना होगा। वैकल्पिक रूप से, समय के साथ k को ख़राब करने वाली सेवा के लिए हीटर डिज़ाइन करते समय, एक पतली दीवार से शुरू करें ताकि k गिरने के बाद, ΔT अभी भी स्वीकार्य हो। 20% k हानि के लिए, आवश्यक प्रारंभिक दीवार की मोटाई नाममात्र डिज़ाइन से 20% कम होनी चाहिए। यह भविष्य में थर्मल प्रतिरोध में वृद्धि की भरपाई करता है।
लगातार कोर तापमान के लिए गणना विधि
कोर तापमान T_core=T_fluid + q × (t/k + 1/h)। उम्र बढ़ने के बाद, k_age=0.8 × k_प्रारंभिक। T_core को समान रखने के लिए, या तो q को कम करें (कम करें) या t को कम करें (असंभव)। एक निश्चित हीटर (टी निश्चित) के लिए, एकमात्र विकल्प क्यू को कम करना है। आवश्यक q_AGED=q_initial × (k_AGED/k_initial)=0.8 × q_initial. यह 20% बिजली की कमी है। तो एक हीटर जो शुरू में 3 W/cm² पर चलता था, उसे समान कोर तापमान बनाए रखने के लिए 2 साल बाद 2.4 W/cm² पर व्युत्पन्न किया जाना चाहिए। यह अक्सर उत्पादन के लिए अस्वीकार्य होता है.
यदि किसी ऐसी सेवा के लिए नया हीटर डिज़ाइन किया जा रहा है जो जीवन भर में k को 20% तक ख़राब कर देती है, तो प्रारंभिक दीवार मोटाई t_प्रारंभिक=0.8 × t_nominal का उपयोग करें। 2 वर्षों के बाद, प्रभावी तापीय प्रतिरोध नाममात्र के समान R_AGED=t_initial / k_ged=(0.8 × t_nominal) / (0.8 × k_initial)=t_nominal / k_initial=हो जाता है। तो हीटर जीवन के अंत में समान रूप से कार्य करता है।
उदाहरण गणना
नाममात्र डिज़ाइन मान लें: q=3 W/cm², t=2 मिमी, k_प्रारंभिक=0.20 W/m·K, 1/h=0.001 m²·K/W। ΔT_प्रारंभिक=30,000 × (0.002/0.20 + 0.001)=30,000 × (0.01 + 0.001)=30,000 × 0.011=330 डिग्री। टी_कोर=80 + 330=410 डिग्री - बहुत अधिक (व्यावहारिक सीमा 260 डिग्री है)। यह उदाहरण दर्शाता है कि संख्याएँ अवास्तविक हैं। मुझे यथार्थवादी मूल्यों का उपयोग करने दें: 80 डिग्री पर पानी में एक पीएफए हीटर के लिए 1/घंटा =0.002 (एच =500), टी =2 मिमी, के {{29 }}, ΔT=30,000 × ({{32 }})=30,000 × 0.012=360 डिग्री। अभी भी ऊँचा है. त्रुटि: 2 मिमी की दीवार के लिए q 30,000 नहीं होना चाहिए। सुरक्षित पीएफए सतह तापमान के लिए<120°C, ΔT across PFA must be <40°C (core at ~120°C, fluid 80°C). Solve for q: 40 = q × (0.01 + 0.002) → q = 40/0.012 = 3,333 W/m² = 0.33 W/cm². That is very low. So PFA heaters in water operate at low watt density (0.5–1.5 W/cm²). For such low q, the effect of k degradation is smaller.
अधिक यथार्थवादी उदाहरण का उपयोग करें: q=10,000 W/m² (1 W/cm²), t=2 mm, k=0.20, 1/h=0.001. ΔT प्रारंभिक=10,000 × 0.011=110 डिग्री। कोर तापमान=80+110=190 डिग्री (स्वीकार्य)। 2 वर्षों के बाद, k=0.16 (20% गिरावट)। ΔT की आयु=10,000 × (0.002/0.16 + 0.001)=10,000 × (0.0125 + 0.001)=10,000 × 0.0135=135 डिग्री है। कोर तापमान=215 डिग्री - अभी भी स्वीकार्य लेकिन अधिक गर्म। 190 डिग्री पर पुनर्स्थापित करने के लिए, q को q_new=(190-80) / 0.0135=110 / 0.0135=8, 148 W/m² (0.81 W/cm²) तक कम करें। 19% की कमी।
यदि इस सेवा के लिए डिज़ाइन किया जा रहा है, तो t_initial=0.8 × 2.0=1.6 मिमी का उपयोग करें। फिर प्रारंभिक ΔT=10,000 × (0.0016/0.20 + 0.001)=10,000 × (0.008 + 0.001)=10,000 × 0.009=90 डिग्री। कोर=170 डिग्री। 2 वर्षों के बाद, k=0.16, R_total=0.0016/0.16 + 0.001=0.01 + 0.001=0.011, ΔT=10,000 × 0.011=110 डिग्री, कोर=190 डिग्री। बिल्कुल सही - मूल डिज़ाइन के समान। पतली आरंभिक दीवार भविष्य में होने वाले नुकसान की भरपाई करती है।
के कटौती मुआवजे के लिए डिज़ाइन तालिका
| आवश्यक जीवन (वर्ष) | अपेक्षित k कमी (%) | प्रारंभिक टी गुणक (बनाम मानक) | परिणाम: जीवन के अंत में मुख्य तापमान |
|---|---|---|---|
| 0 (कोई मुआवजा नहीं) | 0% | 1.00 | प्रारंभिक के समान |
| 1 | 10% | 0.90 | प्रारंभिक के समान |
| 2 | 20% | 0.80 | प्रारंभिक के समान |
| 3 | 28% | 0.72 | प्रारंभिक के समान |
| 5 | 40% | 0.60 | प्रारंभिक के समान |
एक मानक 2.0 मिमी दीवार के लिए, 20% k हानि के साथ 2{5}}वर्ष की सेवा के लिए डिज़ाइन किया गया हीटर 1.6 मिमी दीवार से शुरू होना चाहिए। पतली दीवार में घर्षण/छिद्रण के लिए प्रारंभिक जीवन कम होता है, लेकिन उस व्यापार-बंद का मूल्यांकन किया जाना चाहिए।
फ़ील्ड सत्यापन
हॉट डिस्क या संरक्षित ताप प्रवाह मीटर का उपयोग करके पुराने हीटर से पीएफए नमूनों की तापीय चालकता को मापें। वास्तविक k हानि की गणना करें। जीवन बिंदु के वांछित अंत-पर t_initial=t_nominal × (k_initial / k_ged) सूत्र का उपयोग करें। एक हीटर के लिए 20% k खोने की उम्मीद है, प्रारंभिक दीवार को 20% कम करें। इसके लिए k हानि की भविष्यवाणी में विश्वास की आवश्यकता है। इससे अधिक (बहुत पतला) मुआवज़ा अन्य तंत्रों से शीघ्र विफलता का जोखिम उठाता है।
निष्कर्ष: प्रारंभिक पतली दीवार भविष्य के नुकसान की भरपाई करती है
कोर तापमान या व्युत्पन्न शक्ति को बदले बिना 2 साल की सेवा के बाद पीएफए तापीय चालकता में 20% की कमी की भरपाई करने के लिए, प्रारंभिक दीवार की मोटाई 20% कम करें (उदाहरण के लिए, 2.0 मिमी से 1.6 मिमी तक)। यह सुनिश्चित करता है कि उत्पाद t/k जीवन भर स्थिर बना रहे। डिज़ाइन के लिए k क्षरण की सटीक भविष्यवाणी की आवश्यकता होती है, जो रासायनिक वातावरण और तापमान पर निर्भर करता है। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए, त्वरित परीक्षणों में k हानि मापें। अज्ञात परिवेशों के लिए, एक सुरक्षा मार्जिन (डीरेट पावर) जोड़ें। गणित सरल है: t_प्रारंभिक=t_नाममात्र × (k_प्रारंभिक / k_AGED)। जब k गिरता है, तो पतला होना बेहतर होता है। डिज़ाइन पतला, उम्र अधिक मोटा (थर्मल प्रतिरोध के संदर्भ में), प्रदर्शन बनाए रखें। विरोधाभास सुलझ गया है.
