چه ویژگی های سفارشی به یک مبدل حرارتی PTFE اجازه می دهد تا به عنوان یک هیتر ترکیبی و جمع کننده جریان کاتدی در یک سلول الکتروشیمیایی کار کند؟

فرصت عملکرد دوگانه-

سلول های الکتروشیمیایی برای بازیافت فلز، الکترووینینگ و الکترودیالیز به گرمایش و توزیع جریان الکتریکی نیاز دارند. به طور سنتی، این عملکردها توسط اجزای جداگانه ارائه می شود: یک گرم کننده غوطه وری برای کنترل دما، و یک صفحه کاتد فلزی یا مش برای جمع آوری جریان. این دو جزء برای فضای درون سلول رقابت می کنند و نیاز به نصب، نگهداری و جایگزینی جداگانه دارند.

ترکیب هر دو عملکرد در یک مجموعه مبتنی بر PTFE{0}} پیچیدگی سلول را کاهش می‌دهد، حجم داخلی الکترودها را آزاد می‌کند، و مشکلات خوردگی و آلودگی یک بخاری فلزی جداگانه را حذف می‌کند. لوله‌های مبدل حرارتی PTFE با عناصر رسانا اصلاح شده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد به عنوان کاتد عمل کنند و در عین حال گرمایش بخار را ادامه دهند. مدارهای بخار و الکتریکی توسط دیواره های لوله PTFE از یکدیگر جدا می شوند.

طراحی یکپارچه هادی

ساختار پایه یک بسته نرم افزاری لوله مبدل حرارتی PTFE است. برای افزودن قابلیت جمع آوری جریان، هر لوله با یک لایه رسانای خارجی تعبیه شده است که با سیال فرآیند تماس می گیرد و جریان کاتدی را جمع آوری می کند. لایه رسانا باید از نظر شیمیایی با الکترولیت سازگار باشد، از نظر الکتریکی در طول لوله پیوسته و از نظر حرارتی رسانا باشد تا امکان انتقال حرارت از بخار داخل لوله به سیال فرآیند خارج را فراهم کند.

چندین رویکرد عملکرد رسانا را ارائه می دهند. یک گرافیتی{{1}آستین کامپوزیت PTFE-یک لوله نازک-دیواره‌ای از گرافیت-پر از PTFE-روی هر لوله گرمایشی می‌چرخد. پرکننده گرافیت (15-25 درصد حجمی) رسانایی الکتریکی کافی را برای جمع آوری جریان (مقاومت تقریباً 0.1-1.0 Ω·cm) فراهم می کند در حالی که بی اثری شیمیایی ماتریس PTFE را حفظ می کند. آستین کامپوزیت برای هدایت حرارتی در تماس نزدیک با دیواره لوله گرمایش است.

متناوباً، یک مش تیتانیوم یا نیوبیوم سوراخ شده در اطراف هر لوله پیچیده می شود که توسط حلقه های نگهدارنده PTFE در جای خود نگه داشته می شود. توری رسانایی و دوام بالایی دارد و لوله PTFE مانع خوردگی بین مایع فرآیند و بخار داخلی را فراهم می کند. بخش های مش روی لوله های مجاور به طور الکتریکی توسط سیم های جامپر به هم متصل می شوند تا گذرگاه کاتد را تشکیل دهند.

طراحی جداسازی الکتریکی

بخار داخل لوله‌های PTFE به‌وسیله دیواره لوله PTFE از سیال فرآیند جداسازی الکتریکی می‌شود. لوله تامین بخار و برگشت میعانات گازی نیز باید به صورت الکتریکی از شین کاتد جدا شود. فلنج های دی الکتریک یا قطعات قرقره عایق در اتصالات بخار و میعانات، پیوستگی فلزی را می شکنند و اطمینان حاصل می کنند که جریان کاتدی از طریق اتصالات باس مورد نظر جریان می یابد، نه از طریق لوله های بخار به زمین.

لایه رسانای روی هر لوله به یک میله باس کاتدی که بر روی قاب پشتیبانی مبدل حرارتی نصب شده اما به صورت الکتریکی از قاب جدا شده است، متصل است. باس بار به ترمینال منفی یکسو کننده متصل است. کل مجموعه طوری طراحی شده است که تنها مسیر جریان از الکترولیت به یکسو کننده از طریق سطوح لوله رسانا باشد و گذرگاه کاتد{2}}هیچ مسیر جریان سرگردانی به زمین وجود ندارد.

بهینه‌سازی عملکرد حرارتی{0}}الکتریکی

لایه رسانا مقاومت حرارتی کمی بین دیواره لوله گرم{0}بخار و الکترولیت اضافه می کند. برای غلاف کامپوزیت گرافیتی-PTFE با ضخامت 0.5 میلی‌متر، مقاومت حرارتی اضافی تقریباً 0.001{5}}0.002 m²·K/W است که مقدار U-value کلی را 5-10% کاهش می‌دهد. سطح مبدل حرارتی به همان درصد افزایش می یابد تا جبران شود و اطمینان حاصل شود که وظیفه حرارتی طراحی برآورده شده است.

توزیع جریان در سراسر بسته لوله توسط مقاومت الکتریکی لایه رسانا و الکترولیت کنترل می شود. لوله های دورتر از اتصال گذرگاه کاتدی مسیر مقاومت کمی بالاتر را تجربه می کنند. ضخامت لایه رسانا و گیج سیم جامپر برای محدود کردن افت ولتاژ در سراسر بسته نرم افزاری به کمتر از 50 میلی ولت در جریان طراحی انتخاب شده اند و توزیع یکنواخت جریان را تضمین می کنند.

خلاصه

یک مبدل حرارتی PTFE اصلاح شده با یک لایه رسانای خارجی هم به عنوان گرم کننده فرآیند و هم به عنوان جمع کننده جریان کاتدی در سلول های الکتروشیمیایی عمل می کند. آستین های کامپوزیت PTFE پر شده از گرافیت- یا توری فلزی مقاوم در برابر خوردگی{2}}عملکرد رسانا را در عین حفظ بی اثری شیمیایی ارائه می دهند. دیواره لوله PTFE مدار بخار را از مدار الکتریکی جدا می کند. طراحی عملکرد دوگانه پیچیدگی سلول را کاهش می دهد و بخاری فلزی جداگانه را به عنوان منبع خوردگی و آلودگی حذف می کند.

پشتیبانی مهندسی برای طراحی مبدل حرارتی PTFE ترکیبی-الکترودی پس از ارائه شیمی الکترولیت، دمای عملیاتی، تراکم جریان مورد نیاز و هندسه سلول در دسترس است.