Designing a PFA heater for a tank that cycles between high vacuum (10 mbar absolute) and high pressure (6 bar gauge) requires addressing both collapse and burst failure modes. The PFA sheath must withstand 1 bar external pressure during vacuum (collapse risk) and 6 bar internal pressure during pressurization (burst risk). The critical parameter is wall thickness. For a 25 mm OD heater, the wall thickness needed to resist 6 bar internal pressure at 150°C (creep strength ≈ 3 MPa) is t = P × D / (2 × σ) = 6 × 25 / (2 × 30) = 150 / 60 = 2.5 mm (using short-term strength). For vacuum collapse at 10 mbar, the external pressure is 1 bar (atmospheric) – the heater must not buckle. For a 2.5 mm wall, the critical collapse pressure at 150°C is ≈ 0.8 bar – marginal. To survive both, use a 3.5–4.0 mm wall, or add an internal support (metal core with ribs) and external support (shroud). The optimal design: a metal core (Incoloy) that carries the pressure load, with a thin PFA layer for chemical resistance. Do not rely on PFA alone for pressure >3 bar.
Krav til kombinert trykk-vakuumdesign
| Fase | Trykk (bar abs) | Ekstern/Intern | Feilmodus | PFA-krav |
|---|---|---|---|---|
| Atmosfærisk | 1.0 | Lik | Ingen | Ingen krav |
| Vakuum | 0,01 (10 mbar) | Ekstern=1-linje | Kollaps (knekk) | Høy knekkmotstand |
| Trykk | 7,0 (6 bar gauge) | Intern=6-linje | Burst (bøylestress) | Tykk vegg eller metallstøtte |
Veggtykkelsesdesign for 6 bar + 150 grader (PFA alene)
| Veggtykkelse (mm) | Hoop Stress ved 6 bar (MPa) | PFA styrke ved 150 grader (MPa) | Burst Safety Factor | Vakuumkollapstrykk (bar) ved 150 grader | Trygg for begge? |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6×25/(2×2) = 37.5 | 3–5 | 0,08 (utrygt) | 0.5 | Nei (utbrudd) |
| 2.5 | 6×25/(2×2.5) = 30 | 3–5 | 0,1 (utrygt) | 0.8 | Nei (utbrudd) |
| 3.0 | 6×25/(2×3) = 25 | 3–5 | 0,12 (utrygt) | 1.1 | Nei (utbrudd) |
| 4.0 | 6×25/(2×4) = 18.75 | 3–5 | 0,16 (utrygt) | 1.6 | Nei (fortsatt sprengt) |
Konklusjon: PFA alene tåler ikke 6 bar ved 150 grader – nødvendig veggtykkelse vil være t=P × D / (2 × σ)=6 × 25 / (2 × 4)=150 / 8=18.75 mm. Upraktisk. Derfor må varmeren ha en metallkjerne som bærer trykkbelastningen.
Designløsning: metallkjerne med tynt PFA-belegg
| Komponent | Materiale | Tykkelse | Funksjon | Trykkmotstand |
|---|---|---|---|---|
| Indre metallkjerne (rør) | Incoloy 825 eller titan | 1,5 mm | Trykkbegrensning | >6 bar (metallstyrke) |
| PFA overtrekk | PFA | 0,5–1,0 mm | Kjemisk motstand | Tåler ikke press |
| Ekstern PFA-kappe (valgfritt) | PFA | 1,0 mm | Sekundær barriere | N/A |
Metallkjernen (forseglet rør) holder trykket. Varmetråden er inne i metallkjernen, isolert med MgO. PFA-overlakken beskytter metallet mot korrosjon. Varmeren ser trykk fra innsiden av metallkjernen (varmeelementet er på prosesstrykk) - men metallkjernen er designet for det. PFA ser bare prosessvæsken på dens ytre overflate (ingen trykkforskjell over PFA fordi metallkjernen har samme trykk som prosess). For vakuumfase forhindrer metallkjernen kollaps. Dette er en standard "mantelvarmer"-design.
Vakuumfasevurdering
Under vakuum (10 mbar) er metallkjernen på prosesstrykk (10 mbar), slik at PFA ser en trykkforskjell på 1 bar eksternt. Men metallkjernen støtter PFA fra innsiden (ingen gap). PFA vil ikke kollapse fordi den er støttet av metall. Den eneste risikoen er hvis PFA delaminerer fra metallkjernen - da kan PFA kollapse. Sørg for god vedheft (etset kjerne, primer).
Eksempel på felt
En kjemisk reaktor syklet mellom 10 mbar (tørking) og 6 bar (reaksjon) ved 150 grader. Opprinnelig ble det brukt en 3 mm tykk PFA-varmer. Den sprakk ved 4 bar under den første trykksyklusen. Anlegget byttet til en titan-mantelvarmer (1,5 mm Ti-rør, 1 mm PFA-belegg). Varmeren tålte 6 bar/150 grader og vakuum i 5+ år. Ti-kjernen bar trykket; PFA ga kjemisk motstand.
Anbefalt design for kombinert tjeneste
| Behov | Løsning |
|---|---|
| Pressure >2 bar | Bruk metall-mantelvarmer (Incoloy, Ti, SS) med PFA-overtrekk |
| Vakuum<100 mbar | Metallkjerne forhindrer PFA-kollaps |
| Kjemisk motstand | PFA overtrekk (0,5–1,0 mm) på metall |
| Temperature >150 grader | Bruk en legering som motstår prosess (Ti for klorider, Incoloy for syrer) |
| Overvåking | Isolasjonsmotstand mellom metallkjerne og jord (PFA fungerer som dielektrisk) |
Conclusion: Do Not Use PFA Alone for >2 bar ved 150 grader – Bruk metallkjerne med PFA-belegg
For en tank som opplever både raskt vakuum (10 mbar) og høyt trykk (6 bar) ved 150 grader, er ikke en PFA-varmer -kun mulig – den nødvendige veggtykkelsen overstiger 18 mm. Design i stedet en metall-belagt varmeovn (Incoloy, titan) med en tynn PFA-overbelegg (0,5–1,0 mm). Metallkjernen bærer trykket; PFA gir kjemisk motstand. For vakuum forhindrer metallkjernen kollaps. For sprengning gir metallkjernen styrke. Denne hybriddesignen er standard for-høytrykks, korrosiv service. PFA alene er for lavtrykk. Metall alene er for høyt trykk, men ikke korrosjonsbestandig. Kombiner dem for det beste fra begge verdener. Spesifiser metallkjerne + PFA-belegg. Varmeren din vil overleve vakuumet og trykket. Og kjemien. Alt på en gang. Det er ingeniørkunst.
