Kahe{0}}funktsiooniga võimalus
Elektrokeemilised rakud metallide taaskasutamiseks, elektroonseks puhastamiseks ja elektrodialüüsiks nõuavad nii kuumutamist kui ka elektrivoolu jaotamist. Traditsiooniliselt tagavad need funktsioonid eraldi komponendid: sukelküttekeha temperatuuri reguleerimiseks ja metallist katoodplaat või võrk voolu kogumiseks. Need kaks komponenti konkureerivad lahtris ruumi pärast ja vajavad eraldi paigaldamist, hooldust ja väljavahetamist.
Mõlema funktsiooni ühendamine üheks PTFE{0}}põhiseks koostuks vähendab elemendi keerukust, vabastab elektroodide sisemise ruumala ning kõrvaldab eraldi metallist küttekeha korrosiooni- ja saasteprobleemid. PTFE soojusvaheti torud on modifitseeritud juhtivate elementidega, mis võimaldavad neil toimida katoodina, jätkates samal ajal auru soojendamist. Auru- ja elektriahelad on üksteisest isoleeritud PTFE toru seintega.
Integreeritud juhtmete disain
Aluskonstruktsioon on standardne PTFE soojusvaheti torude komplekt. Voolu kogumise võimaluse lisamiseks on iga toru varustatud välise juhtiva kihiga, mis puutub kokku protsessivedelikuga ja kogub katoodvoolu. Juhtiv kiht peab olema keemiliselt elektrolüüdiga kokkusobiv, elektriliselt pidev piki toru pikkust ja soojusjuhtiv, et võimaldada soojusülekannet toru sees olevast aurust väljaspool asuvasse protsessivedelikku.
Juhtivat funktsiooni pakuvad mitmed lähenemisviisid. Grafiit-PTFE komposiithülss-õhukeseseinaline-grafiidist-täidisega PTFE-toru libistatakse üle iga kuumutustoru. Grafiittäiteaine (15-25% mahust) tagab piisava elektrijuhtivuse voolu kogumiseks (takistus ligikaudu 0,1-1,0 Ω·cm), säilitades samal ajal PTFE-maatriksi keemilise inertsuse. Komposiithülss on soojusjuhtivuse tagamiseks tihedas kontaktis küttetoru seinaga.
Teise võimalusena mähitakse iga toru ümber perforeeritud titaanist või nioobiumist võrk, mida hoiavad paigal PTFE kinnitusrõngad. Võrk tagab kõrge juhtivuse ja vastupidavuse ning PTFE toru tagab korrosioonitõkke protsessivedeliku ja sisemise auru vahel. Kõrvuti asetsevate torude võrgusegmendid on elektriliselt ühendatud hüppaja juhtmetega, et moodustada katoodsiin.
| Disaini parameeter | Spetsifikatsioon |
|---|---|
| Juhtiv kihtmaterjal | Grafiit{0}}täidisega PTFE komposiit või titaan/nioobiumvõrk |
| Komposiittakistus | 0,1-1,0 Ω·cm (grafiit-PTFE) |
| Võrgustikmaterjal | 2. klassi titaan või nioobium (elektrolüüdist{1}}sõltuv) |
| Elektriühenduse meetod | Jumper juhtmed toru segmentide vahel; bussiühendus päises |
| Auru---elektrolüütide isolatsioon | PTFE toru sein (dielektriline tugevus > 18 kV/mm) |
| Voolutihedus toru pinnal | 50-200 A/m² (sõltub rakendusest) |
| Maksimaalne elektrolüüdi töötemperatuur | 260 kraadi (PTFE piirang) |
| Termiline jõudlus | 90-95% samaväärsest mittejuhtivast torust (kerge täiendav soojustakistus juhtivast kihist) |
Elektriisolatsiooni disain
PTFE-torude sees olev aur on PTFE-toru seina abil protsessivedelikust elektriliselt isoleeritud. Auru etteande ja kondensaadi tagasivoolu torustik peab olema ka katoodsiinist elektriliselt isoleeritud. Auru- ja kondensaadiühenduste dielektrilised äärikud või isoleerivad poolitükid katkestavad metallilise järjepidevuse, tagades, et katoodvool voolab läbi ettenähtud siiniühenduste, mitte läbi aurutorustiku maapinnale.
Igal torul olev juhtiv kiht on ühendatud katoodsiiniga, mis on paigaldatud soojusvaheti tugiraamile, kuid on raamist elektriliselt isoleeritud. Siiniriba on ühendatud alaldi negatiivse klemmiga. Kogu koost on konstrueeritud nii, et ainus voolutee elektrolüüdist alaldini kulgeb läbi juhtivate torude pindade ja katoodsiini -ei ole hajuvaid vooluteid maanduseni.
Soojus{0}}elektrilise jõudluse optimeerimine
Juhtiv kiht lisab väikese soojustakistuse auru{0}}kuumutatud toru seina ja elektrolüüdi vahele. 0,5 mm paksuse grafiit-PTFE komposiithülsi puhul on täiendav soojustakistus ligikaudu 0,001-0,002 m²·K/W, mis vähendab üldist U-väärtust 5–10%. Soojusvaheti pindala suurendatakse kompenseerimiseks sama protsendi võrra, tagades projekteeritud soojuskoormuse täitmise.
Voolu jaotust torukimbus reguleerib juhtiva kihi ja elektrolüüdi elektritakistus. Katoodisiini ühendusest kaugemal asuvad torud kogevad veidi suuremat takistusteed. Juhtiva kihi paksus ja hüppaja traadi gabariit on valitud nii, et pingelangus kogu kimbus oleks projekteeritud voolu juures alla 50 mV, tagades ühtlase voolujaotuse.
Kokkuvõte
Välise juhtiva kihiga modifitseeritud PTFE-soojusvaheti toimib nii protsessikuumuti kui ka katoodvoolukollektorina elektrokeemilistes elementides. Grafiit-täidisega PTFE komposiitmuhvid või korrosioonikindel metallvõrk tagab juhtiva funktsiooni, säilitades samas keemilise inertsuse. PTFE toru sein isoleerib auruahela elektriahelast. Kahe{5}}funktsiooniga disain vähendab elemendi keerukust ja välistab eraldiseisva metallist küttekeha kui korrosiooni- ja saasteallika.
Kombineeritud küttekeha-elektroodiga PTFE soojusvaheti projekteerimise tehniline tugi on saadaval pärast elektrolüüdi keemia, töötemperatuuri, voolutiheduse nõuete ja raku geomeetria esitamist.
