Ryzyko zestalenia w zbiornikach chromowanych
Elektrolity do chromowania twardego zawierają 250-400 g/l kwasu chromowego z katalizatorem siarczanowym. W temperaturze roboczej 50-60 stopni roztwór przepływa swobodnie. Jednak gdy kąpiel ostygnie podczas wyłączania, wytrącają się kryształy kwasu chromowego. Kryształy te rosną na dowolnej dostępnej powierzchni, w tym na rurach wymienników ciepła.
Odstęp między rurami określa, czy kryształy te tworzą izolowane osady, czy mostki pomiędzy sąsiednimi rurkami. Mostkowanie tworzy solidne bariery, które blokują przepływ roztworu. Kiedy zbiornik się ponownie nagrzeje, zmostkowane sekcje mogą nie całkowicie się rozpuścić, pozostawiając trwałe przeszkody, które pogarszają wymianę ciepła i tworzą strefy zastoju.
Zjawisko to jest charakterystyczne dla roztworów o wysokich temperaturach krzepnięcia. Elektrolit chromowy zaczyna krystalizować poniżej 40 stopni. Kąpiele do niklowania i cynkowania, pozostające w stanie ciekłym do temperatury bliskiej 0 stopni, nie stwarzają tego problemu. Projektant wymienników ciepła PTFE musi wziąć pod uwagę to zachowanie specyficzne dla chromu.
Interakcja warstwy granicznej pomiędzy rurami
Każda rurka PTFE w wymienniku ciepła tworzy termiczną warstwę graniczną-strefę ogrzanego roztworu otaczającą rurę. Grubość warstwy granicznej zależy od średnicy rury, prędkości płynu i różnicy temperatur pomiędzy ścianką rury a roztworem masowym.
Kiedy rury są blisko siebie, warstwy graniczne z sąsiednich rur łączą się. Połączona strefa ma zmniejszoną prędkość i wyższą temperaturę niż roztwór masowy. Jest to korzystne podczas pracy: cieplejsza strefa wokół rur zmniejsza straty ciepła z powierzchni rur.
Jednak podczas wyłączania połączona strefa działa przeciwko operatorowi. Gdy temperatura masy spada, ostatnim roztworem do ochłodzenia jest warstwa graniczna wokół rur. Jeśli rury są zbyt blisko siebie, cała objętość wiązki rur pozostaje powyżej temperatury krzepnięcia dłużej niż w zbiorniku zbiorczym. Opóźnia to całkowite schłodzenie i może maskować niewystarczający odzysk temperatury kąpieli podczas ponownego uruchamiania.
Tabela 1: Wpływ odstępu rurek na warstwę graniczną i zachowanie podczas krzepnięcia w elektrolicie chromowym
| Rozstaw środków rur (× OD) | Szczelina między rurkami (mm, dla średnicy zewnętrznej 10 mm) | Interakcja warstwy granicznej | Niwelowanie ryzyka podczas wyłączania | Odzyskiwanie przepływu po ponownym uruchomieniu |
|---|---|---|---|---|
| 1.5× | 5 | Połączone (gruba połączona warstwa) | Wysoka (przerwa mostkowa kryształów) | Słaby (uporczywa blokada) |
| 2.0× | 10 | Częściowe nakładanie się | Umiarkowany | Sprawiedliwy |
| 2.5× | 15 | Minimalne nakładanie się | Niski | Dobry |
| 3.0× | 20 | Niezależne warstwy | Bardzo niski | Doskonały |
Analiza rurki PTFE o średnicy zewnętrznej 10 mm w elektrolicie chromowym w temperaturze 55 stopni przy łagodnym mieszaniu powietrzem. Temperatura krzepnięcia około 38-40 stopni.
Praktyczne zalecenia dotyczące odstępów
W przypadku zbiorników pokrytych twardym chromem zaleca się rozstaw rurek PTFE wynoszący 2,5-3,0-krotność zewnętrznej średnicy rurki. Odstęp ten utrzymuje niezależne warstwy graniczne podczas pracy, umożliwia swobodną cyrkulację roztworu pomiędzy rurkami i zapobiega tworzeniu się mostków krystalicznych podczas schładzania.
Większy rozstaw zmniejsza całkowitą powierzchnię mieszczącą się w danej objętości zbiornika. Oto kompromis:-mniej rur na metr kwadratowy dna zbiornika w zamian za niezawodne działanie bez problemów ze krzepnięciem. Powierzchnię można odzyskać poprzez zwiększenie zasięgu wężownicy lub dodanie oddzielnych wiązek rur w różnych strefach zbiornika.
W zbiornikach z niezawodnymi systemami utrzymywania temperatury, które zapobiegają ochłodzeniu się poniżej 45 stopni w okresach przestoju, można stosować mniejsze odstępy 2,0×. Zmniejszone ryzyko zestalania uzasadnia większą gęstość upakowania. Zbiorniki w sklepach z weekendowymi przestojami lub zawodnym zaopatrzeniem w parę powinny stosować szerszy rozstaw 3,0×.
Efekty powierzchniowe PTFE
Niska energia powierzchniowa PTFE zapewnia przewagę podczas krzepnięcia. Kryształy kwasu chromowego słabo przylegają do powierzchni fluoropolimeru w porównaniu do metalu. Kryształy, które tworzą się podczas-ochładzania, mają tendencję do odpadania po ponownym nagrzaniu kąpieli i wznowieniu konwekcji. Właściwości antyadhezyjne-częściowo zmniejszają ryzyko mostkowania.
Ten efekt powierzchniowy nie eliminuje konieczności stosowania odpowiednich odstępów. Słabo przylegające kryształy mogą nadal tworzyć mostki pomiędzy blisko rozmieszczonymi rurkami, jeśli szczelina jest wystarczająco mała. Jednak połączenie szerszego odstępu i powierzchni-antyadhezyjnej sprawia, że cewki PTFE są bardziej odporne na problemy związane z zestalaniem niż równoważne cewki metalowe.
Streszczenie
Rozstaw rurek w wymiennikach ciepła PTFE do elektrolitów chromowych musi zapobiegać tworzeniu się mostków krystalicznych podczas-stygnięcia kąpieli. Rozstaw 2,5-3,0-krotności średnicy rury utrzymuje niezależne warstwy graniczne i zapobiega powstawaniu mostków krzepnięcia pomiędzy rurami.
Większe odstępy zmniejszają gęstość upakowania, ale zapewniają niezawodne działanie podczas cykli uruchamiania-wyłączania. Powierzchnia antyadhezyjna PTFE-częściowo zmniejsza ryzyko mostkowania. W zbiornikach z ciągłym utrzymywaniem temperatury można stosować mniejsze odstępy.
Analiza inżynierska dotycząca rozstawu rurek PTFE w określonych geometriach zbiorników chromowanych jest dostępna po przesłaniu wymiarów zbiornika, temperatury roboczej, historii temperatur wyłączenia, metody mieszania i aktualnych danych konfiguracji wężownicy.
