Diraddio Hydrothermol Chwarts Islaw'r Pwynt Critigol
Mae dŵr dan bwysedd dan bwysau-dŵr hylif wedi'i gynhesu a gynhelir dan bwysau i atal berwi, yn nodweddiadol ar 280-350 gradd a 10-20 MPa-yn cael ei ddefnyddio'n gynyddol mewn glanhau wafferi lled-ddargludyddion (rinsiau dŵr dadïoneiddiedig tymheredd uchel), prosesau ocsideiddio uwch, a synthesis hydrothermol. Yn wahanol i ddŵr uwch-gritigol lle mae hydoddedd silica yn gostwng yn sydyn, mae dŵr is-gritigol ger y tymheredd critigol (374 gradd) yn dangos uchafswm mewn hydoddedd silica. Ar 300-350 gradd, mae hydoddedd silica amorffaidd mewn dŵr pur yn cyrraedd 300-500 ppm, tua 100 gwaith yn uwch nag ar dymheredd ystafell. Mae'r hydoddedd uchel hwn yn gyrru diddymiad parhaus o wain cwarts a ddefnyddir fel gwresogyddion trochi. Ar yr un pryd, mae'r pwysedd uchel (10-20 MPa) yn gosod straen cywasgol allanol ar y tiwb cwarts, sy'n gofyn am drwch wal digonol i atal byclo neu ffrwydrad. Mae'r cyfuniad o ddiddymu cemegol a llwytho pwysau mecanyddol yn creu her ddylunio unigryw: rhaid i drwch y wal ddarparu lwfans cyrydiad yn erbyn tynnu silica cyson a digon o anystwythder i wrthsefyll y pwysau hydrostatig allanol. Mae'r dadansoddiad hwn yn meintioli hydoddedd silica a chineteg diddymu mewn dŵr deionized subcritical fel swyddogaethau tymheredd a gwasgedd, yn pennu isafswm trwch wal ar gyfer cyfyngu pwysau, ac yn deillio'r trwch wal cychwynnol gofynnol i gyflawni bywydau gwasanaeth targed o 500-5,000 awr. Mae fframwaith dethol yn gwahaniaethu systemau dŵr glân uchel{-purdeb oddi wrth y rhai â halogion ïonig neu organig hybrin sy'n cyflymu ymosodiad.
Hydoddedd Silica a Chineteg Diddymu mewn Dŵr dan Bwysedd Is-gritigol
Mae hydoddedd ecwilibriwm silica ymdoddedig mewn dŵr pur yn cynyddu'n esbonyddol gyda thymheredd hyd at tua 360 gradd, yn dilyn y log perthynas₁₀(S)=A - B/T, lle mae S yn hydoddedd mewn mg/kg (ppm), T yw tymheredd absoliwt, ac mae A a B yn gysonion empirig. Ar 280 gradd (pwysedd dirlawnder ~ 6.5 MPa), mae hydoddedd tua 120 ppm. Ar 320 gradd (11 MPa), mae hydoddedd yn cyrraedd 250 ppm. Ar 350 gradd (16.5 MPa), hydoddedd yw 380-420 ppm. Ar 360 gradd, mae'n cyrraedd uchafbwynt ger 500 ppm cyn dirywio yn y rhanbarth uwchfeirniadol.
Mae'r gyfradd y mae cwarts yn nesáu at yr ecwilibriwm hwn yn cael ei reoli gan yr haen ffin trosglwyddo màs. Mewn systemau llifo (sy'n nodweddiadol mewn meinciau gwlyb lled-ddargludyddion neu ddolenni cylchrediad), rhoddir y gyfradd diddymu gan R=k_m × (C_sat - C_bulk), lle k_m yw'r cyfernod trosglwyddo màs (yn nodweddiadol 0.001–0.005 mm/awr fesul ppm y grym gyrru, yn dibynnu ar gyflymder llif). Mewn systemau glân lle mae C_bulk yn agos at sero (dŵr ffres wedi'i ddadïoneiddio), y gyfradd hydoddi gychwynnol ar 320 gradd yw tua 0.002–0.004 mm/awr fesul ppm o hydoddedd, gan roi 0.5–1.0 mm/awr ar gyfer hydoddedd 250 ppm. Mae hyn yn hynod o uchel-yn gymharu â chastig tawdd. Byddai gwain cwarts 2.0 mm yn hydoddi'n llwyr mewn 2-4 awr. Fodd bynnag, mewn systemau ailgylchredeg, mae C_bulk yn cynyddu dros amser, gan leihau'r grym gyrru. Mewn dolen gaeedig gyda chyfaint sefydlog o ddŵr ac arwynebedd wyneb cwarts mawr, mae'r system yn agosáu at dirlawnder, ac mae'r gyfradd diddymu yn agosáu at sero. Mewn systemau llif parhaus lle mae dŵr ffres yn mynd dros y gwresogydd yn gyson, mae'r crynhoad swmp yn parhau i fod yn isel, ac mae'r gyfradd diddymu yn parhau i fod yn uchel.
Mae data arbrofol o ddolen llif trwodd unwaith-gyda dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio ar 330 gradd , 12 MPa, a chyflymder llif 0.5 m/s yn dangos -cyfradd hydoddi cyflwr sefydlog o 0.08–0.12 mm/awr-llawer is na'r cyfrifiad cyfradd cychwynnol oherwydd bod haenen silicad denau {{. Serch hynny, mae'r gyfradd hon yn dal yn ymosodol: byddai wal 2.0 mm yn tyllu mewn 17-25 awr. Ar 300 gradd, mae'r gyfradd yn gostwng i 0.02-0.04 mm / awr, gan roi 50-100 awr o fywyd. Ar 280 gradd, y gyfradd yw 0.008-0.015 mm / awr, gan ddarparu 130-250 awr. Ar gyfer gwasanaeth diwydiannol ymarferol sy'n gofyn am filoedd o oriau, dim ond llai na 280 gradd y mae cwarts yn hyfyw. Uchod 300 gradd , byddai hyd yn oed waliau trwchus (5-10 mm) hydoddi o fewn wythnosau.
The presence of trace ionic contaminants dramatically alters these rates. Silica solubility is suppressed by dissolved salts (the "salting-out" effect). In water with 1 ppm sodium chloride, silica solubility decreases by approximately 10%. In 10 ppm NaCl, it decreases by 30–40%. Thus, in semiconductor applications where ultrapure water (resistivity >18 MΩ·cm) yn cael ei ddefnyddio, y hydoddedd mwyaf a'r cyrydiad sydd gyflymaf. Mewn dŵr diwydiannol â chryfder ïonig uwch, mae diddymu cwarts yn arafach. I'r gwrthwyneb, gall olrhain cyfansoddion organig (ee, ffotoresist gweddilliol) ffurfio cyfadeiladau ag asid silicic, gan gynyddu hydoddedd a chyflymu ymosodiad. Ar gyfer dylunio gwresogydd, mae purdeb y dŵr mor bwysig â thymheredd.
Gofynion Cyfyngiad Pwysedd ar gyfer Gwain Chwarts Isfeirniadol
Y pwysedd allanol mewn systemau dŵr is-gritigol ar 280-350 gradd yw pwysedd dirlawnder dŵr ar y tymheredd hwnnw, sy'n amrywio o tua 6.5 MPa ar 280 gradd i 16.5 MPa ar 350 gradd. Mewn systemau gwasgedd gyda throshaen o nwy anadweithiol, gall pwysau fod hyd yn oed yn uwch (ee, 20 MPa). Rhaid i'r wain cwarts, gyda gwasgedd atmosfferig y tu mewn, wrthsefyll y pwysau allanol hwn heb byclo neu imploding. Fel sy'n deillio o'r blaen ar gyfer gwasanaeth uwch-gritigol, mae'r pwysau byclo critigol ar gyfer tiwb â waliau tenau yn P_critical=(E / (1-ν²)) × (t/R)³ / 4. Ar gyfer tiwb cwarts diamedr allanol 20 mm (R=10 mm) ar 350 gradd (E ar gyfer GPa, mae 6 o dymheredd cwarts 3 yn gostwng o tua 7 gradd GPa 3 i 7 gradd 0 3 i 7 gradd GP a 3 i 7 gradd 3 i 5 ° / 4. ), cyfrifir y trwch wal lleiaf ar gyfer ffactor diogelwch o 2 yn erbyn pwysau o 16.5 MPa. Gosod P_critical / 2=16.5 MPa → P_critical=33 MPa. Datrys (68e9 / 0.97) × (t/10)³ / 4=33e6 → (70.1e9) × (t/10)³ / 4=33e6 → (t/10)³=(33e6 × 4) / 70.1e9=132e6{5} →{5} → t=1.235 mm. Ar gyfer 20 MPa, t_min=1.35 mm. Ar gyfer 280 gradd (6.5 MPa), t_min=0.9 mm. Felly, mae cyfyngu pwysau yn unig yn gofyn am drwch wal rhwng 1.0 a 1.5 mm ar gyfer diamedrau nodweddiadol. Mae hyn yn gymedrol ac yn hawdd ei fodloni gan y mwyafrif o ddyluniadau gwresogyddion cwarts. Mae'r lwfans cyrydiad, nid pwysau, yn pennu'r trwch gofynnol ar gyfer bywyd gwasanaeth hir.
Sut mae Trwch Wal yn Cydbwyso Lwfans Cyrydiad a Pherfformiad Thermol
Ar gyfer gwasanaeth dŵr subcritical, y trwch wal cychwynnol gofynnol yw t_initial=t_pressure + (cyfradd cyrydu × bywyd dymunol). Ar 280 gradd gyda chyfradd cyrydu o 0.010 mm/awr a bywyd dymunol o 2,000 awr, lwfans cyrydiad=20 mm, sy'n hurt o fawr. Mae hyn yn dangos nad yw gweithrediad parhaus ar 280 gradd yn ymarferol gyda chwarts oni bai bod y dŵr wedi'i gyn-dirlawn â silica. Yn ymarferol, mae systemau dŵr is-gritigol sy'n defnyddio gwresogyddion cwarts yn gweithredu mewn un o ddau ddull: (1) systemau swp neu ailgylchredeg lle mae'r dŵr yn dod yn silica- yn dirlawn dros amser, gan leihau'r gyfradd cyrydu i bron i sero ar ôl cyfnod cychwynnol, neu (2) amserau datguddio byr iawn (ee, prosesu thermol cyflym lle mae'r gwresogydd yn cael ei egni am funudau yn unig). Ar gyfer systemau ailgylchredeg, gall y diddymiad cychwynnol dynnu 0.2-0.5 mm o chwarts yn ystod yr ychydig gannoedd o oriau cyntaf, ac ar ôl hynny mae'r gyfradd yn gostwng i<0.001 mm/hour. A 2.0 mm wall with an initial loss of 0.5 mm leaves 1.5 mm, which then degrades very slowly. Such systems can operate for years with quartz heaters. For once-through systems, quartz is not recommended above 250°C.
Mae cosb thermol waliau mwy trwchus mewn dŵr is-gritigol yn arwyddocaol oherwydd bod gan ddŵr ar 280–350 gradd ddargludedd thermol uchel (0.6–0.7 W/(m·K)) a gludedd isel, gan ganiatáu cyfernodau darfudol o 2,000–5,000 W/(m²·K) ar gyflymder llif cymedrol. Mae gwrthiant yr haen derfyn yn isel iawn (0.0002–0.0005 m²·K/W). Mae ymwrthedd dargludol cwarts yn dominyddu. Ar gyfer wal 1.5 mm, R_cond=0.00109 m²·K/W, U ≈ 1/(0.00109+0.0003)= 720 W/(m²·K). Ar gyfer wal 3.0 mm, U ≈ 1/(0.00217+0.0003)= 405 W/(m²·K)-gostyngiad o 44%. Mae'r gosb hon yn sylweddol. Ar gyfer ceisiadau sydd angen fflwcs gwres uchel (ee, gwresogi wafferi cyflym), mae waliau tenau yn hanfodol. Ar gyfer cymwysiadau fflwcs gwres is, gall waliau mwy trwchus fod yn dderbyniol.
Senario-Matrics Dewis Seiliedig ar gyfer Trwch Wal Gwain Chwarts mewn Gwasanaeth Dŵr Dan Bwysedd Isfeirniadol
| Senario Cais a Pharamedrau Gweithredu | Trwch Wal a Argymhellir | Rhesymeg Graidd gyda Masnach Feintiol-Diffodd |
|---|---|---|
| Dolen ddŵr purdeb uchel sy'n cylchredeg (280 gradd , 6.5 MPa, system gaeedig gyda dirlawnder silica, cynnal a chadw am flwyddyn) | 2.0 – 2.5 mm, cwarts purdeb uchel | Mae'r diddymiad cychwynnol yn dileu ~0.3 mm, yna mae'r diferion cyfradd. 2.0 mm yn darparu 1.7 mm yn weddill ar ôl dirlawnder. U ≈ 550 W/(m²·K). |
| Unwaith-trwy rinsio wafferi (300 gradd , 8.5 MPa, dŵr pur iawn, llif parhaus) | Nid cwarts - defnyddiwch PFA neu saffir | Cyfradd diddymu 0.04 mm/awr. 2.5 mm yn methu mewn 60 awr. Angen deunydd amgen. |
| Synthesis hydrothermol swp (320 gradd, 11 MPa, cylchoedd 24 awr, dŵr ffres bob swp, 50 swp y flwyddyn) | 2.5 – 3.0 mm, fel-tynnu | Fesul{0}}colli swp ~0.2 mm (cyfradd 0.008 mm/awr × 24 awr). 3.0 mm yn para ~15 swp (3 mis). Derbyniol fel traul. |
| Rhag-wresogydd dŵr DI dan bwysau (250 gradd, 4 MPa, dolen gaeedig, llif isel) | 1.5 - 2.0 mm, gradd safonol | Islaw 260 gradd, cyfradd cyrydu<0.005 mm/hour. 2.0 mm provides >400 awr o fywyd cychwynnol, yna'n arafu. U ≈ 700 W/(m²·K). |
| -dŵr wedi'i ddadïoneiddio tymheredd uchel (350 gradd , 16.5 MPa, unrhyw ffurfweddiad) | Nid cwarts - defnyddiwch titaniwm neu Inconel | Silica solubility >400 ppm. Dissolution rate >0.10 mm yr awr. Mae cwarts yn anymarferol waeth beth fo'r trwch wal. |
Addasiadau Dyluniad Cyflenwol ar gyfer Gwresogyddion Dŵr Is-gritigol
Mae tair strategaeth yn galluogi defnydd cwarts mewn dŵr is-gritigol y tu hwnt i'r terfynau tymheredd a awgrymir uchod. Yn gyntaf, cyn{1}}dirlawnder dŵr: mae pasio'r dŵr porthiant trwy wely llawn sglodion cwarts ar y tymheredd gweithredu yn dirlenwi'r dŵr ag asid silicig cyn iddo gysylltu â'r gwresogydd. Mae hyn yn dileu'r grym ar gyfer diddymu, gan leihau'r gyfradd cyrydu i bron sero. Mae colofn dirlawnder cyn-yn ychwanegu cymhlethdod ond yn caniatáu i wresogyddion cwarts weithredu ar 320 gradd am filoedd o oriau. Yn ail, addasiad pH: mae ychwanegu amonia hybrin (i pH 9–10) yn cynyddu hydoddedd silica? Mewn gwirionedd, mae hydoddedd silica yn lleiafswm ger pH niwtral ac yn cynyddu mewn amodau asidig ac alcalïaidd. Mae cynnal pH niwtral (6-7) yn lleihau hydoddedd. Yn drydydd, cotio wyneb: mae dyddodiad anwedd cemegol o haen nitrid silicon tenau (1-2 µm) neu boron nitrid ar yr wyneb cwarts yn rhwystr yn erbyn trylediad dŵr, gan leihau diddymiad 90% ar 300 gradd. Fodd bynnag, mae cywirdeb cotio o dan feicio thermol yn heriol.
Casgliad: Pennu Trwch Wal Chwarts ar gyfer Dŵr dan Bwysedd Is-gritigol gyda Therfynau Tymheredd Clir
Gellir defnyddio gwresogyddion trochi cwarts yn ddibynadwy mewn dŵr dadïoneiddiedig dan bwysedd is-gritigol ar dymheredd hyd at 260–280 gradd, ar yr amod bod y system yn cael ei chau neu ei hailgylchredeg fel bod dirlawnder silica yn digwydd. O dan yr amodau hyn, mae trwch wal 2.0-2.5 mm yn darparu lwfans cyrydiad cychwynnol digonol (colled 0.3-0.5 mm yn ystod y cyfnod dirlawnder cychwynnol) ac yn cynnal cywirdeb strwythurol am filoedd o oriau. Mae cosb thermol waliau mwy trwchus yn 20–40% o'i gymharu â waliau tenau iawn, ond mae'n dderbyniol ar gyfer y rhan fwyaf o geisiadau. Am unwaith-trwy systemau neu dymheredd uwch na 300 gradd , mae cyfraddau hydoddi cwarts yn fwy na 0.04 mm/awr, sy'n golygu ei fod yn anymarferol waeth beth fo'r trwch wal; dylid nodi defnyddiau amgen megis saffir (single-crisial Al₂O₃), tiwbiau wedi'u leinio â PFA, neu wainiau titaniwm. Wrth ofyn am ddyfynbrisiau ar gyfer gwresogyddion dŵr dan bwysedd tymheredd uchel, nodwch a yw'r system yn ail-gylchredeg neu unwaith drwodd, purdeb y dŵr (gwrthedd neu ddargludedd), tymheredd a gwasgedd uchaf, a bywyd gwasanaeth dymunol. Mae hyn yn galluogi'r gwneuthurwr i argymell y trwch wal gorau posibl -fel arfer 2.0–2.5 mm ar gyfer systemau ailgylchredeg o dan 280 gradd , gydag arweiniad clir nad yw cwarts yn addas ar gyfer gwasanaeth parhaus unwaith {-drwodd uwch na 260 gradd ).
