Η ευκαιρία διπλής-λειτουργίας
Οι ηλεκτροχημικές κυψέλες για ανάκτηση μετάλλων, ηλεκτρονίκωση και ηλεκτροδιάλυση απαιτούν τόσο θέρμανση όσο και διανομή ηλεκτρικού ρεύματος. Παραδοσιακά, αυτές οι λειτουργίες παρέχονται από ξεχωριστά εξαρτήματα: έναν θερμαντήρα εμβάπτισης για έλεγχο θερμοκρασίας και μια μεταλλική πλάκα καθόδου ή πλέγμα για τη συλλογή ρεύματος. Τα δύο εξαρτήματα ανταγωνίζονται για χώρο εντός της κυψέλης και απαιτούν ξεχωριστή εγκατάσταση, συντήρηση και αντικατάσταση.
Ο συνδυασμός και των δύο λειτουργιών σε ένα ενιαίο συγκρότημα βασισμένο σε PTFE- μειώνει την πολυπλοκότητα του στοιχείου, ελευθερώνει τον εσωτερικό όγκο για τα ηλεκτρόδια και εξαλείφει τα προβλήματα διάβρωσης και μόλυνσης ενός ξεχωριστού μεταλλικού θερμαντήρα. Οι σωλήνες εναλλάκτη θερμότητας PTFE έχουν τροποποιηθεί με αγώγιμα στοιχεία που τους επιτρέπουν να χρησιμεύουν ως κάθοδος ενώ συνεχίζουν να παρέχουν θέρμανση με ατμό. Ο ατμός και τα ηλεκτρικά κυκλώματα απομονώνονται μεταξύ τους από τα τοιχώματα του σωλήνα PTFE.
Ο ολοκληρωμένος σχεδιασμός αγωγών
Η δομή βάσης είναι μια τυπική δέσμη σωλήνων εναλλάκτη θερμότητας PTFE. Για να προστεθεί η δυνατότητα συλλογής ρεύματος, κάθε σωλήνας είναι εφοδιασμένος με ένα εξωτερικό αγώγιμο στρώμα που έρχεται σε επαφή με το υγρό διεργασίας και συλλέγει το καθοδικό ρεύμα. Το αγώγιμο στρώμα πρέπει να είναι χημικά συμβατό με τον ηλεκτρολύτη, ηλεκτρικά συνεχές κατά μήκος του σωλήνα και θερμικά αγώγιμο για να επιτρέπει τη μεταφορά θερμότητας από τον ατμό μέσα στο σωλήνα στο υγρό διεργασίας έξω.
Αρκετές προσεγγίσεις παρέχουν την αγώγιμη λειτουργία. Ένα σύνθετο περίβλημα από γραφίτη-PTFE-ένας λεπτός-σωλήνας από γραφίτη-γεμάτο PTFE- με λεπτό τοίχωμα-γλιστρά πάνω από κάθε σωλήνα θέρμανσης. Το πληρωτικό γραφίτη (15-25% κατ' όγκο) παρέχει επαρκή ηλεκτρική αγωγιμότητα για τη συλλογή ρεύματος (αντίσταση περίπου 0,1-1,0 Ω·cm) ενώ διατηρεί τη χημική αδράνεια της μήτρας PTFE. Το σύνθετο χιτώνιο βρίσκεται σε στενή επαφή με το τοίχωμα του σωλήνα θέρμανσης για θερμική αγωγιμότητα.
Εναλλακτικά, ένα διάτρητο πλέγμα τιτανίου ή νιοβίου τυλίγεται γύρω από κάθε σωλήνα, που συγκρατείται στη θέση του με δακτυλίους συγκράτησης PTFE. Το πλέγμα παρέχει υψηλή αγωγιμότητα και ανθεκτικότητα, με τον σωλήνα PTFE να παρέχει το φράγμα διάβρωσης μεταξύ του ρευστού διεργασίας και του εσωτερικού ατμού. Τα τμήματα πλέγματος σε παρακείμενους σωλήνες συνδέονται ηλεκτρικά με καλώδια βραχυκυκλωτήρα για να σχηματίσουν τον δίαυλο καθόδου.
| Παράμετρος σχεδίασης | Προσδιορισμός |
|---|---|
| Υλικό αγώγιμου στρώματος | Σύνθετο PTFE γεμισμένο με γραφίτη-ή πλέγμα τιτανίου/νιοβίου |
| Σύνθετη ειδική αντίσταση | 0,1-1,0 Ω·cm (γραφίτης-PTFE) |
| Διχτυωτό υλικό | Τιτάνιο Βαθμού 2 ή νιόβιο (εξαρτάται από τον ηλεκτρολύτη-) |
| Μέθοδος ηλεκτρικής σύνδεσης | Καλώδια βραχυκυκλωτήρα μεταξύ των τμημάτων του σωλήνα. σύνδεση λεωφορείου στην επικεφαλίδα |
| Απομόνωση ατμού-σε-ηλεκτρολύτη | Τοίχωμα σωλήνα PTFE (διηλεκτρική αντοχή > 18 kV/mm) |
| Πυκνότητα ρεύματος στην επιφάνεια του σωλήνα | 50-200 A/m² (ανάλογα με την εφαρμογή) |
| Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας ηλεκτρολύτη | 260 μοίρες (όριο PTFE) |
| Θερμική απόδοση | 90-95% του ισοδύναμου μη αγώγιμου σωλήνα (ελαφριά πρόσθετη θερμική αντίσταση από το αγώγιμο στρώμα) |
Σχεδιασμός Ηλεκτρικής Απομόνωσης
Ο ατμός μέσα στους σωλήνες PTFE απομονώνεται ηλεκτρικά από το ρευστό διεργασίας μέσω του τοιχώματος του σωλήνα PTFE. Οι σωληνώσεις παροχής ατμού και επιστροφής συμπυκνώματος πρέπει επίσης να είναι ηλεκτρικά απομονωμένοι από τον δίαυλο καθόδου. Διηλεκτρικές φλάντζες ή μονωτικά κομμάτια καρούλι στις συνδέσεις ατμού και συμπυκνώματος διασπούν τη μεταλλική συνέχεια, διασφαλίζοντας ότι το καθοδικό ρεύμα ρέει μέσω των προβλεπόμενων συνδέσεων διαύλου, όχι μέσω των σωληνώσεων ατμού προς τη γείωση.
Το αγώγιμο στρώμα σε κάθε σωλήνα συνδέεται με μια ράβδο διαύλου καθόδου τοποθετημένη στο πλαίσιο στήριξης του εναλλάκτη θερμότητας αλλά ηλεκτρικά απομονωμένη από το πλαίσιο. Η μπάρα διαύλου είναι συνδεδεμένη στον αρνητικό ακροδέκτη του ανορθωτή. Ολόκληρο το συγκρότημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε η μόνη διαδρομή ρεύματος από τον ηλεκτρολύτη προς τον ανορθωτή να είναι μέσω των επιφανειών του αγώγιμου σωλήνα και του διαύλου καθόδου-δεν υπάρχουν διαδρομές αδέσποτου ρεύματος προς τη γείωση.
Η θερμική-Βελτιστοποίηση ηλεκτρικής απόδοσης
Το αγώγιμο στρώμα προσθέτει μια μικρή θερμική αντίσταση μεταξύ του τοιχώματος του θερμαινόμενου σωλήνα ατμού-και του ηλεκτρολύτη. Για το σύνθετο περίβλημα από γραφίτη-PTFE σε πάχος 0,5 mm, η πρόσθετη θερμική αντίσταση είναι περίπου 0,001-0,002 m²·K/W, μειώνοντας τη συνολική τιμή U κατά 5-10%. Η επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας αυξάνεται κατά το ίδιο ποσοστό για αντιστάθμιση, διασφαλίζοντας την τήρηση του σχεδιαστικού καθήκοντος θερμότητας.
Η κατανομή ρεύματος στη δέσμη του σωλήνα διέπεται από την ηλεκτρική αντίσταση του αγώγιμου στρώματος και του ηλεκτρολύτη. Οι σωλήνες μακρύτερα από τη σύνδεση διαύλου καθόδου παρουσιάζουν μια διαδρομή ελαφρώς υψηλότερης αντίστασης. Το πάχος του αγώγιμου στρώματος και ο μετρητής σύρματος βραχυκυκλωτήρα επιλέγονται για να περιορίσουν την πτώση τάσης στη δέσμη σε λιγότερο από 50 mV στο ρεύμα σχεδιασμού, διασφαλίζοντας ομοιόμορφη κατανομή ρεύματος.
Περίληψη
Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE τροποποιημένος με ένα εξωτερικό αγώγιμο στρώμα χρησιμεύει τόσο ως θερμαντήρας διεργασίας όσο και ως συλλέκτης ρεύματος καθόδου σε ηλεκτροχημικές κυψέλες. Τα σύνθετα μανίκια από PTFE-γεμισμένα με γραφίτη ή το ανθεκτικό στη διάβρωση-μεταλλικό πλέγμα παρέχουν την αγώγιμη λειτουργία διατηρώντας παράλληλα τη χημική αδράνεια. Το τοίχωμα του σωλήνα PTFE απομονώνει το κύκλωμα ατμού από το ηλεκτρικό κύκλωμα. Ο σχεδιασμός διπλής-λειτουργίας μειώνει την πολυπλοκότητα των στοιχείων και εξαλείφει τον ξεχωριστό μεταλλικό θερμαντήρα ως πηγή διάβρωσης και μόλυνσης.
Διατίθεται μηχανική υποστήριξη για σχεδιασμό συνδυασμένου θερμαντήρα-ηλεκτροδίου PTFE εναλλάκτη θερμότητας με την υποβολή της χημείας ηλεκτρολυτών, της θερμοκρασίας λειτουργίας, των απαιτήσεων πυκνότητας ρεύματος και της γεωμετρίας των κυψελών.
