Mogućnost dvostruke-funkcije
Elektrokemijske ćelije za obnavljanje metala, elektrodobivanje i elektrodijalizu zahtijevaju i grijanje i distribuciju električne struje. Tradicionalno, ove funkcije osiguravaju zasebne komponente: uronjeni grijač za kontrolu temperature i metalna katodna ploča ili mreža za skupljanje struje. Dvije komponente natječu se za prostor unutar ćelije i zahtijevaju odvojenu instalaciju, održavanje i zamjenu.
Kombinacija obiju funkcija u jedan sklop temeljen na PTFE-smanjuje složenost ćelija, oslobađa unutarnji volumen za elektrode i eliminira probleme s korozijom i kontaminacijom zasebnog metalnog grijača. PTFE cijevi izmjenjivača topline modificirane su vodljivim elementima koji im omogućuju da služe kao katoda dok nastavljaju osiguravati grijanje parom. Parni i električni krugovi međusobno su izolirani stjenkama PTFE cijevi.
Dizajn integriranog vodiča
Osnovna struktura je standardni PTFE snop cijevi izmjenjivača topline. Kako bi se dodala mogućnost sakupljanja struje, svaka cijev je opremljena vanjskim vodljivim slojem koji je u kontaktu s procesnom tekućinom i skuplja katodnu struju. Vodljivi sloj mora biti kemijski kompatibilan s elektrolitom, električki neprekinut duž duljine cijevi i toplinski vodljiv kako bi omogućio prijenos topline od pare unutar cijevi do procesne tekućine izvana.
Nekoliko pristupa osigurava vodljivu funkciju. Grafitni-PTFE kompozitni omotač-tanko-cijev od-PTFE-a ispunjenog grafitom-navučena je preko svake grijaće cijevi. Grafitno punilo (15-25% po volumenu) osigurava dovoljnu električnu vodljivost za prikupljanje struje (otpor približno 0,1-1,0 Ω·cm) dok održava kemijsku inertnost PTFE matrice. Kompozitni rukavac je u bliskom kontaktu sa stijenkom grijaće cijevi radi toplinske vodljivosti.
Alternativno, perforirana mreža od titana ili niobija omotana je oko svake cijevi, držeći je na mjestu PTFE pričvrsni prstenovi. Mreža pruža visoku vodljivost i izdržljivost, a PTFE cijev predstavlja barijeru protiv korozije između procesne tekućine i unutarnje pare. Mrežasti segmenti na susjednim cijevima električno su povezani premosnim žicama kako bi formirali katodnu sabirnicu.
| Parametar dizajna | Specifikacija |
|---|---|
| Materijal vodljivog sloja | PTFE kompozit -ispunjen grafitom ili mreža od titana/niobija |
| Kompozitni otpor | 0,1-1,0 Ω·cm (grafit-PTFE) |
| Mrežasti materijal | Titan Grade 2 ili niobij (ovisno o-elektrolitima) |
| Način električnog spajanja | Premosne žice između segmenata cijevi; veza sabirnice na zaglavlju |
| Izolacija-pare-elektrolita | PTFE stijenka cijevi (dielektrična čvrstoća > 18 kV/mm) |
| Gustoća struje na površini cijevi | 50-200 A/m² (ovisno o primjeni) |
| Maksimalna radna temperatura elektrolita | 260 stupnjeva (PTFE ograničenje) |
| Toplinska izvedba | 90-95% ekvivalentne nevodljive cijevi (mali dodatni toplinski otpor vodljivog sloja) |
Dizajn električne izolacije
Para unutar PTFE cijevi je električno izolirana od procesne tekućine zidom PTFE cijevi. Cijevi za dovod pare i povrat kondenzata također moraju biti električno izolirani od katodne sabirnice. Dielektrične prirubnice ili izolacijski komadi kalema na priključcima za paru i kondenzat prekidaju metalni kontinuitet, osiguravajući da katodna struja teče kroz predviđene spojeve sabirnice, a ne kroz cjevovod za paru prema masi.
Vodljivi sloj na svakoj cijevi povezan je s katodnom sabirnicom montiranom na nosivi okvir izmjenjivača topline, ali je električni izoliran od okvira. Sabirnica je spojena na negativni terminal ispravljača. Cijeli je sklop dizajniran tako da jedini put struje od elektrolita do ispravljača prolazi kroz površine vodljivih cijevi i katodnu sabirnicu-nema putanja lutajuće struje do uzemljenja.
Optimizacija toplinske-električne izvedbe
Vodljivi sloj dodaje mali toplinski otpor između stijenke cijevi-zagrijane parom i elektrolita. Za grafit-PTFE kompozitni omotač debljine 0,5 mm, dodatni toplinski otpor je približno 0,001-0,002 m²·K/W, smanjujući ukupnu U-vrijednost za 5-10%. Površina izmjenjivača topline povećava se za isti postotak kako bi se to kompenziralo, čime se osigurava da je zadovoljen projektirani toplinski zadatak.
Raspodjela struje preko snopa cijevi određena je električnim otporom vodljivog sloja i elektrolita. Cijevi koje su dalje od priključka katodne sabirnice prolaze nešto veći otpor. Debljina vodljivog sloja i debljina premosne žice odabrani su tako da ograniče pad napona na snopu na manje od 50 mV pri projektiranoj struji, osiguravajući jednoliku raspodjelu struje.
Sažetak
PTFE izmjenjivač topline modificiran vanjskim vodljivim slojem služi i kao procesni grijač i kao katodni kolektor struje u elektrokemijskim ćelijama. PTFE kompozitni omotači-ispunjeni grafitom ili metalna mreža-otporna na koroziju pružaju vodljivu funkciju uz održavanje kemijske inertnosti. Stijenka PTFE cijevi izolira krug pare od električnog kruga. Dizajn s dvostrukom-funkcijom smanjuje složenost ćelija i eliminira zasebni metalni grijač kao izvor korozije i onečišćenja.
Inženjerska podrška za dizajn PTFE izmjenjivača topline s kombiniranom grijačom-elektrodom dostupna je nakon podnošenja kemije elektrolita, radne temperature, zahtjeva za gustoću struje i geometrije ćelije.
