Für eine 1 mm dünne PFA-Wand im abrasiven Schlammbetrieb bei 1,5 m/s beträgt die maximal zulässige Partikelgröße zur Vermeidung von Lochfraß (lokale Erosion tiefer als 0,1 mm/Jahr) 150–200 µm für harte Partikel (Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Mohs 7–9) und 300–400 µm für weiche Partikel (Kalziumcarbonat, Polymerkügelchen, Mohs 3–4). Größere Partikel verursachen Lochfraß, weil ihre Aufprallenergie (E ∝ d³ × v²) den kritischen Schwellenwert für die PFA-Ausbeute überschreitet. Ein 300 µm großes Silica-Partikel erzeugt bei 1,5 m/s eine Aufprallenergie von etwa 0,5 µJ, genug, um einen Mikrokrater (5–10 µm tief) auf der PFA-Oberfläche zu erzeugen. Wiederholte Einschläge vergrößern den Krater zu einer Grube. Bei einer 1-mm-Wand verkürzen Löcher mit einer Tiefe von mehr als 0,3 mm (30 % der Dicke) die Lebensdauer erheblich. Um Lochfraß zu vermeiden, begrenzen Sie die Partikelgröße auf<200 µm for hard abrasives, or reduce velocity to <1.0 m/s.
Aufprallenergie und Lochfraßschwelle
Die kritische Partikelgröße d_crit wird aus dem Erosionsmodell abgeleitet: d_crit ∝ (H_PFA / (ρ_p × v²))^(1/3), wobei H_PFA die Härte ist (≈ 65 Shore D, ≈ 20 MPa Eindruck). Für Kieselsäure (ρ=2,650 kg/m³), v=1.5 m/s, d_crit ≈ 180 µm.
Größere Partikel verursachen Lochfraß, weil:
Sie haben eine höhere kinetische Energie (skaliert mit d³)
Sie erzeugen eine tiefere Einkerbung (skaliert mit d)
Sie neigen dazu, in größeren Winkeln aufzuprallen (weniger Drehung).
Bei einer 1-mm-Wand reduziert eine Grubentiefe von 0,3 mm die verbleibende Dicke auf 0,7 mm – immer noch akzeptabel. Aber Gruben wirken als Stresskonzentratoren. Sobald Lochfraß beginnt, beschleunigt sich die Erosionsrate lokal.
Partikelgrößenbeschränkungen nach Material
| Partikelmaterial | Härte (Mohs) | Dichte (kg/m³) | Maximale Größe für 1 mm Wand (µm) bei 1,5 m/s | Erwartete Grubentiefe (µm/Jahr) | Empfehlung |
|---|---|---|---|---|---|
| Quarzsand | 7 | 2,650 | 150–180 | 30–50 | Akzeptabel |
| Aluminiumoxid | 9 | 3,900 | 100–130 | 50–80 | Randständig |
| Siliziumkarbid | 9.5 | 3,200 | 80–100 | 80–120 | Nicht empfohlen |
| Glasperlen | 5.5 | 2,500 | 250–300 | 10–20 | Sicher |
| Kalkstein (CaCO₃) | 3 | 2,700 | 350–400 | 5–15 | Sicher |
| Polymerpellets (HDPE) | 1–2 | 950 | >1,000 | <5 | Sicher |
| Feinmetall (Stahl) | 5 | 7,800 | 150–200 | 20–40 | Akzeptabel |
| Flugasche | 5–6 | 2,200 | 200–250 | 15–30 | Akzeptabel |
Einfluss der Geschwindigkeit auf die kritische Partikelgröße
| Geschwindigkeit (m/s) | Kritischer d für Silica (µm) | Grubentiefe (µm/Jahr) bei d=200 µm | Notizen |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 400 | <5 | Sicher (kein Lochfraß) |
| 1.0 | 250 | 10–20 | Akzeptabel |
| 1.5 | 180 | 30–50 | Bei dünner Wand grenzwertig |
| 2.0 | 120 | 80–120 | Hohes Risiko für 1 mm Wandstärke |
| 2.5 | 90 | 150–200 | Inakzeptabel |
| 3.0 | 70 | 250–300 | Schneller Misserfolg |
Praktischer Leitfaden für 1 mm PFA-Wand
| Serviceanforderung | Maximale Partikelgröße | Maximale Geschwindigkeit | Erwartete Lebensdauer (Jahre) |
|---|---|---|---|
| Harte Partikel (Siliziumoxid, Aluminiumoxid) | <150 µm | 1.5 m/s | 1–2 |
| Harte Partikel | <100 µm | 2.0 m/s | 1–2 |
| Harte Partikel | <200 µm | 1.0 m/s | 2–3 |
| Weiche Partikel (Kalkstein, Glas) | <400 µm | 1.5 m/s | 3–5 |
| Irgendwelche Partikel | N/A | <0.5 m/s | 5–10 (vernachlässigbare Erosion) |
Feldbeispiel
A mining slurry contained 250 µm silica sand at 1.5 m/s. A 1 mm PFA wall heater developed pits (0.4 mm deep) after 8 months, leading to perforation at a pit. The plant installed a 2 mm wall heater (same slurry). Pitting depth was 0.2 mm after 18 months (still safe). The plant also installed a hydrocyclone to remove particles >150 µm. Die 1 mm Wandheizung hielt dann 3 Jahre.
Erkennung von Lochfraß
Untersuchen Sie die Heizoberfläche mit einer Lupe (10–20×). Gruben erscheinen als kleine Krater (0,2–1 mm Durchmesser). Messen Sie die Grubentiefe mit einem Tiefenmesser oder einer feinen Nadel. Wenn die Grubentiefe bei einer 1 mm dicken Wand 0,3 mm überschreitet, planen Sie den Austausch innerhalb von 6 Monaten. Wenn mehrere Löcher größer als 0,5 mm sind, ersetzen Sie sie sofort.
Schadensbegrenzung bei übergroßen Partikeln
Installieren Sie einen Bildschirm oder Filter upstream to remove particles >200 µm.
Strömungsgeschwindigkeit reduzierenum 20–30 % (Erosion sinkt um 50–70 %).
Verwenden Sie eine dickere Wand(2–3 mm) – ermöglicht tiefere Löcher vor der Perforation.
Verwenden Sie eine Verschleißhülse(PTFE, 1–2 mm), das ausgetauscht werden kann (siehe Artikel #64).
Schlussfolgerung: Bei einer Wandstärke von 1 mm bei 1,5 m/s beträgt die maximale Partikelgröße höchstens 150–200 µm für harte Schleifmittel
Für eine PFA-Heizung mit einer 1 mm dicken Wand in abrasiver Aufschlämmung bei 1,5 m/s beträgt die maximal zulässige Partikelgröße zur Vermeidung von Lochfraß 150–200 µm für harte Partikel (Siliziumoxid, Aluminiumoxid) und 300–400 µm für weiche Partikel (Kalkstein, Glas). Größere Partikel verursachen Einschlagskrater (Gruben), die sich mit der Zeit vertiefen und die dünne Wand perforieren. Wenn übergroße Partikel nicht entfernt werden können, erhöhen Sie die Wandstärke auf 2–3 mm, reduzieren Sie die Geschwindigkeit oder installieren Sie eine Verschleißhülse. Eine 1 mm dicke Wand ist empfindlich. Es kann großen, harten Partikeln nicht standhalten. Auf die Größe kommt es an. Filtern Sie sie heraus, verlangsamen Sie sie oder verdicken Sie sie. Die Lebensdauer Ihrer Heizung hängt von der Partikelkontrolle ab. Messen Sie Ihre Gülle, kennen Sie Ihre Partikel und gestalten Sie sie entsprechend. Bei abrasivem Einsatz sind dünne Wände riskant. Dicke Wände sind sicherer. Wählen Sie mit Bedacht.
