Quina és la distància segura entre un escalfador d'immersió PFA i la paret del dipòsit per evitar la degradació del polímer?

Si els escalfadors d'immersió PFA estan massa a prop de la paret del dipòsit, es desenvoluparà una àrea local de fluid estancat o de flux lent entre l'escalfador i la paret del dipòsit. El flux de convecció típic que transporta la calor lluny de la funda de PFA està limitat en aquest espai restringit. El fluid de la bretxa s'escalfa lentament, la seva densitat disminueix i queda atrapat sota el fluid més càlid de dalt. Aquest fenomen s'anomena estancament o canalització de fluids, i el coeficient de transferència de calor local és un 50-80% més baix que el d'un escalfador sense obstruccions. La temperatura superficial de la funda de PFA cap a la paret és 15-40 graus més alta que el costat cap al dipòsit obert. Això accelera el deteriorament del polímer, afavoreix la formació de butllofes i redueix la vida útil de l'escalfador. La distància de seguretat es pot avaluar equilibrant l'eficiència de l'espai del dipòsit i la necessitat d'una circulació adequada del fluid a tota la circumferència de l'escalfador.

Dinàmica de fluids a l'espai-a-de la paret
Per a un escalfador cilíndric vertical muntat paral·lel a una paret plana del dipòsit, l'amplada del buit (g) és la distància entre la superfície exterior de l'escalfador i la paret. La convecció natural a la bretxa té múltiples règims segons el nombre de Rayleigh adimensional. Quan g és més gran que 3-4 D, la bretxa funciona com un canal obert, i el coeficient de transmissió de calor és el mateix que el d'un escalfador lliure-. Quan g és inferior a 1,5D, el plomall de fluid ascendent de l'escalfador pertorba la capa límit de la paret. El fluid escalfat flueix cap amunt pel petit buit, formant un raig d'-alta velocitat que arrossega fluid més fred des de sota. En realitat, aquest doll millora la transmissió de calor per als buits de 0,5D a 1,0D. El règim perillós es troba a buits entre 0,1D i 0,4D. A espais tan petits, la paret restringeix el creixement del doll cap amunt. L'atrapament de fluids provoca una disminució del nombre de Nusselt local (coeficient de transferència de calor adimensional) fins al 30-50% del valor de corrent lliure.

Per a un escalfador PFA estàndard de 25 mm de diàmetre (D=25 mm), el llindar de distància de seguretat és d'uns 1,0D=25 mm de la paret del dipòsit. El règim d'estancament comença a 10 mm (0,4D). En aigua a 90 graus amb un buit de 5 mm, les dades experimentals revelen que el coeficient de transferència de calor al costat que mira a la paret es reduirà de 800 W/m2K (corrent lliure) a 250-350 W/m2K. Per a un escalfador que funciona a 5 W/cm2, aquesta reducció eleva la temperatura de la superfície de PFA a 135-145 graus a la paret-des de 105 graus, un augment de 30-40 graus. La taxa de penetració d'aigua i àcids a través de PFA a 145 graus és el doble que a 105 graus i la resistència a la tracció del polímer disminueix un 15-20%. Aquest punt calent està localitzat i provoca butllofes o esquerdes prematurs al costat de la paret, el costat obert està il·lès. Més de 5.000 hores de funcionament.

Dependència del material i la temperatura de la distància mínima
The safe minimum distance is proportional to the expected heat flux and the thermal diffusivity of the fluid. The stagnation effect is more noticeable in high heat flux (>8 W/cm2) perquè l'augment de temperatura a la bretxa és més gran. Quan es produeixin aquestes circumstàncies, l'espai segur mínim s'ha d'augmentar a 1,5 D. Per a un flux de calor baix (<3 W/cm²), gaps as small as 0.3D may be allowed, as the temperature rise is still below safe limits. The fluid viscosity also affects the behaviour. Even in open tanks, high viscosity oils (>1.000 cP) tenen una convecció natural feble. La penalització d'estancament en petits buits és menys severa ja que el coeficient de transferència de calor de corrent lliure ja és baix (100-200 W/m²·K). El problema dels olis no és tant el sobreescalfament local com la reducció de la transferència de calor en general. La pena d'estancament més severa i els requisits de distància de seguretat més grans es donen en aigua i àcids diluïts (baixa viscositat, alta difusivitat tèrmica).

El material de la paret del dipòsit és important ja que defineix la condició límit. Una paret metàl·lica del dipòsit (alta conductivitat tèrmica) pot transferir calor lluny de la bretxa, disminuint parcialment l'estancament. La paret metàl·lica és un dissipador de calor, mantenint el fluid a l'espai més fresc que en un dipòsit de plàstic o recobert. Per als dipòsits d'acer inoxidable, l'espai mínim segur es pot reduir entre un 20 i un 30 per cent respecte als dipòsits de polipropilè o FRP. Tanmateix, si la funda de PFA toca la paret, hi ha la possibilitat de fallar a terra amb un dipòsit metàl·lic. Per a tensions de fins a 480 V, hauria d'haver una distància elèctrica mínima de 12 mm, independentment de les consideracions tèrmiques.

Guia de la distància de seguretat mínima per paràmetres d'aplicació
Diàmetre de l'escalfador (D) Tipus de fluid de flux de calor aplicat (viscositat) Material de la paret del dipòsit Mínim mínim recomanat Efecte de la bretxa de reducció del 50% de la bretxa
20-25 mm<3 W/cm2 Water, dilute acid (low viscosity)Plastic (PP, PVC, FRP) 0.5D (10–12 mm) Surface temp rise: 8–12°C; suitable for non-critical 20–25 mm 3–6 W/cm² Water, dilute acid Plastic 1.0D (20–25 mm)Surface temp rise: 20-30 C; blistering in 2,000 hr
20-25 mm 3-6 W/cm2 Water, dilute acid Metal (SS, titanium) 0.7D (14-18 mm) Metal wall sinks heat, temp rise 12-18°C 20-25 mm >8 W/cm2 Qualsevol fluid de -viscositat baixa Qualsevol espai de 1,5D (38-40 mm)<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (-escalfador de gran diàmetre) 3–6 W/cm² Aigua, àcid diluït Plàstic 1,0D (30–40 mm) D més gran necessita una bretxa corresponentment més gran
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1.000 cP) Qualsevol 0,3D (min 10 mm) Pena d'estancament modesta; la viscositat de l'oli restringeix la convecció de totes maneres
Qualsevol diàmetre Qualsevol líquid en ebullició Qualsevol 1,5D min Les bombolles de vapor necessiten espai per escapar Gap<1.0D produces vapour blanketing
Tanc petit (ample<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Verificació pràctica de la instal·lació
Dues proves de camp mostren que les instal·lacions existents no disposen d'espai suficient on la distància no es pugui mesurar directament (escalfadors ocults per suports o brides). En primer lloc, mesura la temperatura de la superfície de PFA al costat que mira a la paret amb un termòmetre d'infrarojos a través d'un port de visió o durant el drenatge del tanc. L'estancament es va reconèixer quan la diferència de temperatura entre el costat-que mira la paret i el costat-obert del dipòsit era superior a 15 graus . En segon lloc, comproveu el costat-que mira a la paret d'un escalfador des-energitzat per detectar si hi ha decoloració localitzada (groc-marró) o butllofes. Aquests símptomes es troben al costat de la paret molt abans que el costat obert mostri cap evidència de deteriorament. Per a instal·lacions noves, utilitzeu separadors o separadors que mantenen un espai mínim definit. El metall no és una bona opció per als separadors, ja que pot formar línies de falla a terra. Els separadors de plàstic (PVDF o PTFE) són la millor opció. Col·loqueu els separadors just a la part superior i inferior de l'escalfador - Mitjans-spans dels separadors produeixen els seus propis punts d'estancament. Si la mida del dipòsit resulta en un mínim inferior al requerit, reduïu la densitat de watts de l'escalfador en un 25-30% per compensar la menor transmissió de calor. Un escalfador amb una densitat de watts més baixa i un buit de 0,3D pot assolir la mateixa temperatura superficial de PFA que un escalfador convencional amb un buit d'1,0D. O poseu dos escalfadors petits en lloc d'un escalfador enorme. Allunyeu-los de les parets i allunyeu-los els uns dels altres.

CONCLUSIÓ UN DIÀMETRE ÉS UNA BONA REGLA
The safe minimum distance between a PFA immersion heater and the tank wall for water-based and dilute acid applications, at moderate heat flux (3~6 W/cm2), is one heater diameter (1.0D). Such spacing prevents the stagnation regime increasing PFA surface temperature by 20-30°C and reducing heater life by 50-70%. In metal tanks the gap can be as much as 0.7 D since the conductive wall steals heat from the gap. In high viscosity fluids (>1000 cP), la bretxa és menys important, ja que la convecció natural és feble independentment de l'espai lliure, però 0,3D segueix sent un mínim raonable per a l'espai lliure mecànic. Per a líquids bullint, l'espai s'ha d'augmentar a 1,5D per permetre que les bombolles de vapor escapen sense colpejar la paret. La correlació Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) la poden utilitzar els enginyers implicats en la construcció de dissenys de tancs compactes per calcular l'augment de temperatura previst a la bretxa per g/D < 1,0. Si la temperatura de la superfície calculada és superior a 150 graus per a un funcionament continu o 170 graus per a un funcionament intermitent, augmenta la bretxa o disminueix la densitat de watts. La fallada de camp més típica per un espai lliure inadequat-camisat localitzat a la paret-al costat de la paret després de 1.000-3.000 hores s'evita totalment respectant la regla d'un diàmetre durant la instal·lació.