Mogućnost dvostruke{0}}funkcije
Elektrohemijske ćelije za obnavljanje metala, elektrodavanje i elektrodijalizu zahtevaju i grejanje i distribuciju električne struje. Tradicionalno, ove funkcije obezbeđuju odvojene komponente: uranjajući grejač za kontrolu temperature i metalna katodna ploča ili mreža za prikupljanje struje. Dvije komponente se takmiče za prostor unutar ćelije i zahtijevaju odvojenu instalaciju, održavanje i zamjenu.
Kombiniranje obje funkcije u jedan sklop zasnovan na PTFE-u smanjuje složenost ćelije, oslobađa unutrašnji volumen za elektrode i eliminiše probleme korozije i kontaminacije zasebnog metalnog grijača. PTFE cijevi izmjenjivača topline su modificirane provodljivim elementima koji im omogućavaju da služe kao katoda dok nastavljaju da pružaju grijanje parom. Parni i električni krugovi su izolovani jedni od drugih zidovima PTFE cijevi.
Integrisani dizajn provodnika
Osnovna struktura je standardni PTFE snop cijevi izmjenjivača topline. Da bi se dodala sposobnost prikupljanja struje, svaka cijev je opremljena vanjskim provodljivim slojem koji dolazi u kontakt s procesnom tekućinom i prikuplja katodnu struju. Provodljivi sloj mora biti hemijski kompatibilan sa elektrolitom, električni neprekidan duž dužine cevi i toplotno provodljiv kako bi omogućio prenos toplote sa pare unutar cevi na procesnu tečnost izvana.
Nekoliko pristupa pruža provodnu funkciju. Grafitna-PTFE kompozitna navlaka-tanka-cijev sa grafitnim-punjenim PTFE-om- se stavlja preko svake grijaće cijevi. Grafitno punilo (15-25% zapremine) obezbeđuje dovoljnu električnu provodljivost za prikupljanje struje (otpornost približno 0,1-1,0 Ω·cm) uz održavanje hemijske inertnosti PTFE matrice. Kompozitna navlaka je u bliskom kontaktu sa zidom cijevi za grijanje radi toplinske provodljivosti.
Alternativno, perforirana titanijumska ili niobijumska mreža je omotana oko svake cijevi, koja se drži na mjestu pomoću PTFE prstenova. Mrežica pruža visoku provodljivost i izdržljivost, a PTFE cijev pruža korozionu barijeru između procesnog fluida i unutrašnje pare. Mrežni segmenti na susjednim cijevima su električno povezani kratkospojnim žicama kako bi formirali katodnu magistralu.
| Parametar dizajna | Specifikacija |
|---|---|
| Materijal provodnog sloja | PTFE kompozit sa{0}}punjenim grafitom ili titanijum/niobijumska mreža |
| Kompozitna otpornost | 0,1-1,0 Ω·cm (grafit-PTFE) |
| Mrežasti materijal | Titanijum Grade 2 ili niobijum (zavisno od elektrolita) |
| Način električnog povezivanja | Premosne žice između segmenata cijevi; bus veza na zaglavlju |
| Izolacija pare{0}}od-elektrolita | PTFE zid cijevi (dielektrična čvrstoća > 18 kV/mm) |
| Gustoća struje na površini cijevi | 50-200 A/m² (ovisno o primjeni) |
| Maksimalna radna temperatura elektrolita | 260 stepeni (ograničenje PTFE) |
| Termičke performanse | 90-95% ekvivalentne neprovodne cijevi (mala dodatna toplinska otpornost provodnog sloja) |
Dizajn električne izolacije
Para unutar PTFE cijevi je električno izolirana od procesnog fluida zidom PTFE cijevi. Cjevovodi za dovod pare i povrat kondenzata također moraju biti električno izolirani od katodne magistrale. Dielektrične prirubnice ili izolacijski dijelovi kalema na spojevima za paru i kondenzat prekidaju metalni kontinuitet, osiguravajući da katodna struja teče kroz predviđene priključke sabirnice, a ne kroz parne cijevi do zemlje.
Provodljivi sloj na svakoj cijevi povezan je sa katodnom sabirnicom koja je postavljena na okvir nosača izmjenjivača topline, ali je električno izolirana od okvira. Sabirnica je spojena na negativni terminal ispravljača. Cijeli sklop je dizajniran tako da je jedini put struje od elektrolita do ispravljača kroz površine provodnih cijevi i katodne sabirnice-nema lutajućih strujnih puteva do zemlje.
Optimizacija termičke{0}}električne performanse
Provodljivi sloj dodaje mali toplotni otpor između parom{0}}zagrijanog zida cijevi i elektrolita. Za grafit-PTFE kompozitnu navlaku debljine 0,5 mm, dodatni toplotni otpor je približno 0,001-0,002 m²·K/W, smanjujući ukupnu U-vrijednost za 5-10%. Površina izmjenjivača topline se povećava za isti postotak radi kompenzacije, osiguravajući ispunjenje projektne toplinske obaveze.
Raspodjela struje kroz snop cijevi regulirana je električnim otporom provodnog sloja i elektrolita. Cijevi koje su dalje od priključka katodne magistrale imaju nešto veći otpor. Debljina provodnog sloja i mjerač žice za kratkospojnike su odabrani da ograniče pad napona na snopu na manje od 50 mV pri projektiranoj struji, osiguravajući ujednačenu distribuciju struje.
Rezime
PTFE izmjenjivač topline modificiran vanjskim provodljivim slojem služi i kao procesni grijač i kao katodni kolektor struje u elektrohemijskim ćelijama. PTFE kompozitne navlake punjene grafitom-ili metalne mreže otporne na koroziju- pružaju funkciju provodljivosti uz održavanje hemijske inertnosti. Zid PTFE cijevi izoluje parni krug od električnog kruga. Dizajn sa dvostrukom-funkcijom smanjuje kompleksnost ćelije i eliminiše odvojeni metalni grijač kao izvor korozije i kontaminacije.
Inženjerska podrška za dizajn PTFE izmjenjivača topline kombiniranog grijača-elektrode dostupna je nakon podnošenja hemije elektrolita, radne temperature, zahtjeva za gustinom struje i geometrije ćelije.
