Елоксирање сумпорном киселином, посебно елоксирање тврдог премаза, генерише значајну топлоту на површини дела због велике густине струје. Ако температура електролита порасте изнад уског прозора од 20-22 степена, премаз постаје мекан и порозан. Поуздано хлађење је стога важно као и сам анодизирајући исправљач.Флуорополимер измењивач топлоте елоксирање сумпорне киселинесистеми обезбеђују отпорност на корозију и термичку контролу потребну за одржавање конзистентне температуре купатила у процесима типа ИИ и типа ИИИ.
Изазов елоксираног хлађења
Анодизација сумпорном киселином користи електролит од 15–20% Х2СО₄ (по запремини) на температурама које варирају у зависности од типа процеса:
Тип ИИ (конвенционална анодизација): Одржава се на 20–22 степена (68–72 степена Ф). Користи се за декоративне и заштитне премазе.
Тип ИИИ (елоксирање тврдог премаза): Ради на 0–5 степени (32–41 степен Ф) за производњу дебелих, тврдих премаза отпорних на хабање.
Током анодизације, електрични отпор на површини дела претвара електричну енергију у топлоту. Оптерећење хлађења може бити значајно. Грубо правило је1 кВ хлађења је потребно за сваки 1 кВ једносмерне струјеиспоручује исправљач. За линију тврдог премаза од 10.000 А, 24 В (240 кВ), оптерећење хлађења може премашити 200 кВ. Уклањање ове топлоте уз одржавање температуре купатила унутар ±1 степен захтева измењивач топлоте који може да поднесе агресивну сумпорну киселину без деградације.
Сумпорна киселина у концентрацији 15–20% и 0–22 степена је веома корозивна за многе метале. Угљенични челик брзо кородира. Нерђајући челик (316Л) подлеже корозији удубљења и пукотина, посебно у присуству хлорида (који могу бити присутни из воде или претходних процеса). Чак и титанијум, иако је отпоран на разблажену сумпорну киселину на ниским температурама, може бити нападнут под одређеним условима (нпр. високи трагови хлорида или флуорида). Измењивачи графита су крти и могу да апсорбују електролит, што доводи до контаминације.
Зашто су наведени измењивачи топлоте од флуорополимера
Флуорополимери-првенствено ПТФЕ (политетрафлуороетилен) и ПФА (перфлуороалкокси)- нуде јединствене предности за елоксирано хлађење.
Потпуна отпорност на корозију
ПТФЕ и ПФА су инертни према сумпорној киселини у свим концентрацијама од 0% до 98%, укључујући опсег од 15-20% који се користи у анодизацији. Не долази до корозије, удубљења или деградације материјала, чак ни на повишеним температурама које могу бити присутне током циклуса шминкања или чишћења каде. Површина измењивача остаје непромењена деценијама.
Нулта контаминација металним јонима
За разлику од металних измењивача топлоте, флуорополимери не испирају јоне у електролит. Контаминација анодизирајуће купке гвожђем, никлом или хромом може изазвати:
Промена боје елоксираног премаза
Смањена диелектрична чврстоћа
Лоше прихватање боје (за тип ИИ)
Повећана отпорност на купање и већа потрошња енергије
Флуорополимер размењивачи елиминишу овај ризик, чувајући чистоћу купатила и продужавајући век трајања електролита.
Поуздане перформансе на ниским температурама
За елоксирање тврдог премаза на 0–5 степени, измењивач топлоте мора да ради са охлађеном водом или гликолом на још нижим температурама (нпр. –5 степени до +5 степени). ПТФЕ и ПФА остају флексибилни и јаки на овим температурама, за разлику од неких полимера који постају крхки. Нелепљива површина такође спречава накупљање леда или кристализоване соли.
Типичне конфигурације измењивача флуорополимера
Две конфигурације се обично користе у линијама за анодизацију, у зависности од величине резервоара и расхладног оптерећења.
Завојнице за урањање за мале до средње резервоаре
Намотај направљен од ПТФЕ цеви (обично 10-20 мм ОД) је потопљен директно у резервоар за анодизацију. Охлађена вода или раствор гликола (обично 20-30% етилен или пропилен гликол) циркулише кроз калем. Намотај се монтира дуж зидова или дна резервоара, често са потпорним оквиром обложеним ПТФЕ.
Предности:
Директно извлачење топлоте из купатила
Нема спољне пумпе или цеви (нема ризика од цурења електролита)
Ниски капитални трошкови
Једноставна накнадна уградња у постојеће резервоаре
Недостаци:
Нижи коефицијент преноса топлоте од дизајна са принудном конвекцијом
Захтева довољно простора у резервоару за сноп завојнице
Спољни измењивачи омотача и цеви за велике линије тврдих премаза
За линије за елоксију велике запремине (нпр. архитектонски или аутомобилски тврди премаз), екстерни измењивач топлоте ПТФЕ или ПФА са шкољком је инсталиран у рециркулацијској петљи. Сумпорна киселина се пумпа кроз ПТФЕ цеви (или ван њих), док охлађени гликол тече на другој страни. Метална шкољка је обложена флуорополимером или полипропиленом за секундарно задржавање.
Предности:
Веће стопе хлађења због принудне конвекције
Нема препрека унутар резервоара за анодизацију
Лакше за димензионисање за веома велика расхладна оптерећења (200 кВ+)
Омогућава употребу централног расхладног уређаја за више резервоара
Недостаци:
Већи капитални трошкови
Захтева рециркулацијску пумпу (отпорна на киселину, обично са деловима натопљеним ПТФЕ-ом)
Додатне тачке одржавања (заптивке пумпе, цеви)
Флуорополимер размењивачи плоча и оквира
За неке линије за анодизацију користе се плочасти измењивачи топлоте од флуорополимера (нпр. ПФА или ЕЦТФЕ). Они нуде компактну величину и високу ефикасност преноса топлоте, али су мање уобичајени од дизајна намотаја или шкољке и цеви због веће цене и мање хемијске отпорности неперфлуорисаних материјала.
Смернице за димензионисање: Процена расхладних тона на основу ампераже исправљача
Практична метода за процену потребног капацитета хлађења за резервоар за анодизацију сумпорне киселине заснива се на излазу исправљача:
Оптерећење хлађења (кВ) ≈ Исправљач ДЦ снага (кВ) × 0,9 до 1,1
На пример, исправљач који испоручује 5.000 А на 18 В производи 90 кВ једносмерне струје. Очекивано оптерећење хлађења је приближно 90 кВ (≈ 25 тона хлађења). За елоксирање тврдог премаза на нижим температурама (0–5 степени), оптерећење хлађења може бити мало веће због повећаног отпора у кади. Често се примењује фактор сигурности од 1,2.
Површина измењивача топлоте потребна за ПТФЕ имерзиони калем може се проценити коришћењем укупног коефицијента преноса топлоте (У) од приближно 50–100 В/м²·К за природну конвекцију на страни купатила и принудни проток на страни расхладне течности. За екстерни измењивач шкољке и цеви са пумпаном киселином, вредности У од 150–250 В/м²·К су типичне. Пројектне прорачуне треба да изврши квалификовани инжењер, али ове вредности дају полазну тачку.
Стратегије контроле температуре
Прецизна контрола температуре је критична за квалитет анодизације. Типична контролна петља укључује:
Сензор температуре: ПТФЕ-обложен термоелемент или РТД потопљен у елоксирајућу купку.
Контролор: ПИД или ПЛЦ који упоређује измерену температуру са задатом тачком (20–22 степена или 0–5 степени).
Контролни вентил: Модулациони вентил који регулише проток охлађеног гликола (или расхладног средства за директну експанзију) кроз измењивач флуорополимера.
За елоксирање тврдог премаза на 0–5 степени, потребан је расхладни уређај који може да снабдева гликол на –5 степени до +5 степени. Измјењивач флуорополимера мора бити дизајниран да поднесе нижу температуру расхладног средства без локалног замрзавања купке. Правилна циркулација електролита (уз мешање ваздуха или механичко мешање) спречава хладне тачке у близини површине измењивача.
Одржавање и чишћење
Флуорополимерни размењивачи топлоте у елоксирању захтевају минимално одржавање. Међутим, препоручује се периодични преглед:
Формирање скале: Алуминијум сулфат или друге соли могу се таложити на ПТФЕ површини, посебно ако купатило није правилно филтрирано. Испирање са разблаженом киселином (5–10% Х2СО₄ или ХЦл) уклања ове наслаге. Нелепљива површина ПТФЕ чини чишћење лаким.
Механичка оштећења: Прегледајте ПТФЕ цеви да ли има посекотина или абразије услед руковања или оштрих ивица у резервоару. Оштећене цеви се могу појединачно заменити у дизајну шкољке и цеви.
Страна расхладне течности: Ако се расхладна вода или гликол не третирају, може се створити каменац унутар ПТФЕ цеви. Хемијско испирање са благим средством за уклањање каменца (нпр. лимунска киселина) обнавља пренос топлоте.
За разлику од металних измењивача, ПТФЕ не захтева пасивизацију или проверу корозије.
Поређење: Флуорополимер наспрам алтернативних материјала за анодизирајуће хлађење
| Материјал | Отпорност на корозију до 15–20% Х₂СО₄ на 20 степени | Погодност за тврди капут (0–5 степени) | Излуживање металних јона | Типичан радни век |
|---|---|---|---|---|
| Угљенични челик | Лоше (брза корозија) | Није прикладно | висока (Фе²⁺) | Недеље |
| Нерђајући челик (316Л) | Умерен (ризик од упадања) | Не препоручује се (питтинг се убрзава при ниском пХ) | Низак, али уочљив | 1–3 године |
| Титанијум | Добар (али скуп; нападнут флуоридима) | Добро (ако нема флуорида) | Занемарљиво (Ти јони) | 5–10 година |
| Графит | Добар (али крхак) | Поштено (ризик од топлотног удара) | Нема (могуће су казне за угљеник) | 3–5 година |
| ПТФЕ / ПФА | Одлично | Одлично | Ниједан | 10–20 година |
У производњи елоксирања, уобичајена је пракса да се специфицирају ПТФЕ или ПФА измењивачи топлоте за нове линије и да се неисправни метални измењивачи замене флуорополимерним јединицама. Већа почетна цена флуорополимера надокнађена је деценијама рада без одржавања.
Интеграција процеса за елоксирање тврдог премаза
Елоксирање тврдог премаза (Тип ИИИ) на 0–5 степени представља додатне изазове. Систем за хлађење мора бити способан да отклони топлоту довољно брзо да спречи загревање купатила изнад специфицираног опсега, посебно током операција велике густине струје (2,5–4 А/дм² или више). Флуорополимер размењивачи се често комбинују са:
Рециркулацијске пумпе високог протокакако би се обезбедила уједначена температура купатила
Више измењивача у серији или паралелноза веома велике резервоаре
Расхладни уређаји којима управља ПЛЦса прецизном регулацијом температуре гликола
Мешање ваздухада промовише пренос топлоте са површине дела на електролит у расутом стању
У таквим системима, измењивач флуорополимера је типично спољашњи дизајн шкољке и цеви јер ефикасније подноси потребна расхладна оптерећења од имерзионих калемова.
Закључак
Флуорополимерни размењивачи топлоте су индустријски стандард за хлађење водова за елоксирање сумпорне киселине. Пружају потпуну отпорност на корозију на 15–20% Х₂СО₄ на температурама типа ИИ (20–22 степена) и типа ИИИ (0–5 степени). За разлику од металних измењивача, они не испирају металне јоне који би контаминирали електролит и деградирали квалитет премаза. Имерзиони калемови економично служе мањим резервоарима, док спољни дизајн шкољке и цеви пружа прецизно хлађење великог капацитета за велике линије тврдих премаза. Правилно димензионисање засновано на снази исправљача (приближно 1 кВ хлађења по 1 кВ ДЦ) обезбеђује поуздану контролу температуре. Прецизно управљање топлотом је кључ за квалитет анодизације, ифлуорополимер измењивач топлоте елоксирање сумпорне киселинерешења су се показала као издржљив избор без корозије током деценија рада.
