Kaksi{0}}toimintoa
Sähkökemialliset kennot metallin talteenottoon, elektrolyysiin ja sähködialyysiin vaativat sekä lämmityksen että sähkövirran jakautumisen. Perinteisesti nämä toiminnot on toteutettu erillisillä komponenteilla: uppolämmitin lämpötilan säätöön ja metallinen katodilevy tai verkko virranottoa varten. Nämä kaksi komponenttia kilpailevat tilasta kennon sisällä ja vaativat erillisen asennuksen, huollon ja vaihdon.
Molempien toimintojen yhdistäminen yhdeksi PTFE{0}}-pohjaiseksi kokoonpanoksi vähentää kennojen monimutkaisuutta, vapauttaa sisäistä tilavuutta elektrodeille ja eliminoi erillisen metallisen lämmittimen korroosio- ja kontaminaatioongelmat. PTFE-lämmönvaihdinputket on modifioitu johtavilla elementeillä, joiden avulla ne voivat toimia katodina samalla kun ne jatkavat höyryn lämmitystä. Höyry- ja sähköpiirit on eristetty toisistaan PTFE-putken seinämillä.
Integroitu johtimien suunnittelu
Pohjarakenne on tavallinen PTFE-lämmönvaihdinputkinippu. Virrankeräyskyvyn lisäämiseksi jokainen putki on varustettu ulkoisella johtavalla kerroksella, joka koskettaa prosessinestettä ja kerää katodista virtaa. Johtavan kerroksen on oltava kemiallisesti yhteensopiva elektrolyytin kanssa, sähköisesti jatkuva koko putken pituudella ja lämpöä johtava, jotta lämmön siirtyminen putken sisällä olevasta höyrystä ulkopuoliseen prosessinesteeseen on mahdollista.
Useat lähestymistavat tarjoavat johtavan toiminnon. Grafiitti-PTFE-komposiittiholkki-ohut-seinämäinen grafiitti-täytetty PTFE--putki liu'utetaan jokaisen lämmitysputken päälle. Grafiittitäyteaine (15-25 tilavuusprosenttia) tarjoaa riittävän sähkönjohtavuuden virran keräämiseen (resistiivisyys noin 0,1-1,0 Ω·cm) säilyttäen samalla PTFE-matriisin kemiallisen inertin. Komposiittiholkki on läheisessä kosketuksessa lämmitysputken seinämän kanssa lämmönjohtamiseksi.
Vaihtoehtoisesti jokaisen putken ympärille kääritään rei'itetty titaani- tai niobiverkko, jota PTFE-kiinnitysrenkaat pitävät paikallaan. Verkko tarjoaa korkean johtavuuden ja kestävyyden, ja PTFE-putki muodostaa korroosiosuojan prosessinesteen ja sisäisen höyryn välillä. Vierekkäisten putkien verkkosegmentit on yhdistetty sähköisesti hyppyjohtimilla katodiväylän muodostamiseksi.
| Suunnitteluparametri | Erittely |
|---|---|
| Johtava kerrosmateriaali | Grafiitti{0}}täytetty PTFE-komposiitti tai titaani/niobiumverkko |
| Komposiittiresistiivisyys | 0,1-1,0 Ω·cm (grafiitti-PTFE) |
| Verkkomateriaalia | Titaani Grade 2 tai niobium (elektrolyytti{1}}riippuvainen) |
| Sähköliitäntämenetelmä | Hyppyjohdot putken segmenttien välillä; väyläyhteys otsikossa |
| Höyrystä-elektrolyytiin{1}}eristys | PTFE-putken seinä (dielektrinen lujuus > 18 kV/mm) |
| Virran tiheys putken pinnalla | 50-200 A/m² (sovelluskohtaisesti) |
| Elektrolyytin maksimi käyttölämpötila | 260 astetta (PTFE-raja) |
| Lämpöteho | 90-95 % vastaavasta johtamattomasta putkesta (pieni lisälämmönvastus johtavasta kerroksesta) |
Sähköeristyksen suunnittelu
PTFE-putkien sisällä oleva höyry on sähköisesti eristetty prosessinesteestä PTFE-putken seinämällä. Höyryn syöttö- ja lauhteen paluuputket on myös eristettävä sähköisesti katodiväylästä. Höyry- ja lauhdeliitäntöjen dielektriset laipat tai eristävät puolapalat katkaisevat metallisen jatkuvuuden varmistaen, että katodinen virta kulkee tarkoitettujen väyläliitäntöjen kautta, ei höyryputkien kautta maahan.
Jokaisessa putkessa oleva johtava kerros on kytketty katodikiskoon, joka on asennettu lämmönvaihtimen tukikehykseen, mutta eristetty rungosta sähköisesti. Väyläkisko on kytketty tasasuuntaajan negatiiviseen napaan. Koko kokoonpano on suunniteltu siten, että ainoa virtatie elektrolyytistä tasasuuntaajaan kulkee johtavien putkien pintojen ja katodiväylän läpi -ei ole hajavirtareittejä maahan.
Thermal{0}}Sähköisen suorituskyvyn optimointi
Johtava kerros lisää pienen lämpövastuksen höyry{0}}lämmitetyn putken seinämän ja elektrolyytin väliin. Grafiitti-PTFE-komposiittiholkin paksuus 0,5 mm lisälämpövastus on noin 0,001-0,002 m²·K/W, mikä pienentää U-arvoa 5–10 %. Lämmönvaihtimen pinta-alaa kasvatetaan samalla prosentilla kompensoimiseksi, mikä varmistaa suunnittelun lämpövelvollisuuden täyttymisen.
Virran jakautumista putkikimpun poikki ohjaa johtavan kerroksen ja elektrolyytin sähkövastus. Katodiväyläliitännästä kauempana olevissa putkissa on hieman korkeampi resistanssipolku. Johtavan kerroksen paksuus ja hyppylangan mittari on valittu rajoittamaan jännitehäviö nipussa alle 50 mV:iin suunnitteluvirralla, mikä varmistaa tasaisen virran jakautumisen.
Yhteenveto
Ulkoisella johtavalla kerroksella modifioitu PTFE-lämmönvaihdin toimii sekä prosessilämmittimenä että katodivirran kerääjänä sähkökemiallisissa kennoissa. Grafiitti-täytetyt PTFE-komposiittiholkit tai korroosionkestävä-metalliverkko takaavat sähköä johtavan toiminnon säilyttäen samalla kemiallisen inertin. PTFE-putken seinämä eristää höyrypiirin sähköpiiristä. Kaksitoiminen{5}}rakenne vähentää kennon monimutkaisuutta ja eliminoi erillisen metallisen lämmittimen korroosion ja kontaminaatiolähteenä.
Teknistä tukea yhdistetyn lämmittimen-elektrodin PTFE-lämmönvaihtimen suunnittelulle on saatavilla, kun elektrolyytin kemia, käyttölämpötila, virrantiheysvaatimukset ja kennogeometria on toimitettu.
