Kāds ir drošais attālums starp PFA iegremdējamo sildītāju un tvertnes sienu, lai novērstu polimēru noārdīšanos?

Ja PFA iegremdējamie sildītāji atrodas pārāk tuvu tvertnes sienai, starp sildītāju un tvertnes sienu izveidosies vietēja stagnējoša vai lēni plūstoša šķidruma zona. Tipiskā konvekcijas plūsma, kas pārnes siltumu prom no PFA apvalka, šajā ierobežotajā telpā ir ierobežota. Šķidrums spraugā lēnām uzsilst, tā blīvums samazinās un tas tiek iesprostots zem siltākā šķidruma. Šo parādību sauc par šķidruma stagnāciju vai kanalizāciju, un vietējais siltuma pārneses koeficients ir par 50–80% zemāks nekā netraucētam sildītājam. PFA apvalka virsmas temperatūra pret sienu ir par 15-40 grādiem augstāka nekā sānos pret atvērto tvertni. Tas paātrina polimēra nolietošanos, veicina pūslīšu veidošanos un samazina sildītāja kalpošanas laiku. Drošo attālumu var novērtēt, līdzsvarojot tvertnes telpas efektivitāti un vajadzību pēc pareizas šķidruma cirkulācijas visā sildītāja apkārtmērā.

Šķidruma dinamika sildītājā-līdz-sienai
Vertikālam cilindriskam sildītājam, kas uzstādīts paralēli plakanai tvertnes sienai, spraugas platums (g) ir attālums starp sildītāja ārējo virsmu un sienu. Dabiskajai konvekcijai spraugā ir vairāki režīmi saskaņā ar bezdimensiju Reilija skaitli. Ja g ir lielāks par 3–4 D, sprauga darbojas kā atvērts kanāls, un siltuma caurlaidības koeficients ir tāds pats kā brīvi stāvošam sildītājam. Ja g ir mazāks par 1,5 D, augšupejošā šķidruma strūkla no sildītāja traucē sienas robežslāni. Uzkarsētais šķidrums plūst uz augšu mazajā spraugā, veidojot liela ātruma-strūklu, kas no apakšas piesaista vēsāku šķidrumu. Faktiski šī strūkla uzlabo siltuma pārnesi starp 0,5D līdz 1,0D. Bīstamais režīms ir ar atstarpi no 0,1D līdz 0,4D. Pie tik mazām atstarpēm siena ierobežo augšupejošās strūklas augšanu. Šķidruma slazdošana izraisa vietējā Nuselta skaitļa (bezdimensiju siltuma pārneses koeficienta) samazināšanos līdz 30–50% no brīvās plūsmas vērtības.

Standarta 25 mm diametra PFA sildītājam (D=25 mm) drošā attāluma slieksnis ir aptuveni 1,0 D=25 mm no tvertnes sienas. Stagnācijas režīms sākas ar 10 mm (0,4D). Ūdenī 90 grādu temperatūrā ar 5 mm atstarpi eksperimentālie dati liecina, ka siltuma pārneses koeficients sienas pusē jāsamazina no 800 W/m2K (brīvā plūsma) līdz 250–350 W/m2K. Sildītājam, kas darbojas ar jaudu 5 W/cm2, šis samazinājums paaugstina PFA virsmas temperatūru līdz 135–145 grādiem sienas pusē no 105 grādiem, palielinoties par 30–40 grādiem. Ūdens un skābju iespiešanās ātrums caur PFA pie 145 grādiem ir divreiz lielāks nekā pie 105 grādiem, un polimēra stiepes izturība samazinās par 15-20%. Šis karstais punkts ir lokalizēts un izraisa priekšlaicīgu pūslīšu veidošanos vai plaisāšanu sienā vērstajā pusē, atvērtā puse ir neskarta. Vairāk nekā 5000 stundu darbība.

Minimālā attāluma materiāla un temperatūras atkarība
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) lietojumiem, jo ​​temperatūras pieaugums spraugā ir lielāks. Ja rodas šādi apstākļi, minimālā drošā sprauga jāpalielina līdz 1,5 D. Zemai siltuma plūsmai (<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 (>1000 cP) ir vāja dabiskā konvekcija. Stagnācijas sods mazās spraugās ir mazāk smags, jo brīvās plūsmas siltuma pārneses koeficients jau ir zems (100–200 W/m²·K). Problēma ar eļļām ir ne tik daudz lokāla pārkaršana, cik siltuma pārneses samazināšanās kopumā. Stingrākais stagnācijas sods un lielākās drošā attāluma prasības rodas ūdenī un atšķaidītās skābēs (zema viskozitāte, augsta termiskā difūzija).

Tvertnes sienas materiāls ir svarīgs, jo tas nosaka robežnosacījumu. Metāla tvertnes siena (augsta siltumvadītspēja) var pārnest siltumu prom no spraugas, daļēji samazinot stagnāciju. Metāla siena ir siltuma izlietne, kas nodrošina spraugā esošo šķidrumu vēsāku nekā plastmasas vai pārklātā tvertnē. Nerūsējošā tērauda tvertnēm drošo minimālo atstarpi var samazināt par 20 līdz 30 procentiem salīdzinājumā ar polipropilēna vai FRP tvertnēm. Tomēr, ja PFA apvalks pieskaras sienai, ar metāla tvertni pastāv zemes defekta iespēja. Spriegumam līdz 480 V minimālajam elektriskajam attālumam jābūt 12 mm neatkarīgi no termiskajiem apsvērumiem.

Rokasgrāmata par minimālo drošo attālumu pēc lietojumprogrammas parametriem
Sildītāja diametrs (D) Izmantotais siltuma plūsmas šķidruma veids (viskozitāte) Tvertnes sienas materiāls Minimālais ieteicamais spraugas efekts, samazinot spraugu par 50%.
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 Jebkurš šķidrums ar zemu-viskozitāti Jebkura 1,5 D (38–40 mm) sprauga<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (liela-diametra sildītājs) 3–6 W/cm² Ūdens, atšķaidīta skābe Plastmasai 1,0 D (30–40 mm) lielākai D nepieciešama attiecīgi lielāka atstarpe
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1000 cP) Jebkurš 0,3D (min 10 mm) Stagnācijas sods pieticīgs; eļļas viskozitāte jebkurā gadījumā ierobežo konvekciju
Jebkurš diametrs Jebkurš Vārošs šķidrums Jebkurš 1,5 D min Tvaika burbuļiem ir nepieciešama vieta, lai izvairītos no spraugas<1.0D produces vapour blanketing
Maza tvertne (plata<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Instalācijas praktiskā pārbaude
Divi lauka testi liecina, ka esošajām iekārtām nav pietiekami daudz vietas, kur attālumu nevar tieši izmērīt (sildītāji, kas noslēpti ar kronšteiniem vai atlokiem). Vispirms izmēriet PFA virsmas temperatūru pusē, kas vērsta pret sienu, izmantojot infrasarkano termometru caur skata atveri vai tvertnes iztukšošanas laikā. Stagnācija tika konstatēta, kad temperatūras starpība starp sienu -pretējo pusi un atvērto-tvertni bija lielāka par 15 grādiem. Otrkārt, pārbaudiet, vai atslēgtā sildītāja sienu -pretējā pusē nav lokālas krāsas maiņas (dzeltenas-brūnas) vai pūslīšu. Šie simptomi parādās sienas pusē ilgi pirms atklātā pusē ir redzami bojājumi. Jaunām instalācijām izmantojiet starplikas vai starplikas, kas saglabā noteiktu minimālo atstarpi. Metāls nav laba izvēle pretrunām, jo ​​tas var veidot zemes defektu līnijas. Labākā izvēle ir plastmasas (PVDF vai PTFE) starplikas. Novietojiet atšķirības sildītāja augšpusē un apakšā - vidus{15}}atšķirības rada savus stagnācijas punktus. Ja tvertnes izmērs ir mazāks par nepieciešamo minimumu, samaziniet sildītāja vatu blīvumu par 25–30%, lai kompensētu zemāku siltuma pārnesi. Sildītājs ar mazāku vatu blīvumu un 0,3 D atstarpi var sasniegt tādu pašu PFA virsmas temperatūru kā parasts sildītājs ar 1,0 D atstarpi. Vai viena milzīga sildītāja vietā ievietojiet divus mazus sildītājus. Novietojiet tos prom no sienām un vienu no otra.

SECINĀJUMS VIENS DIAMETRS IR LABS NOTEIKUMS
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), atstarpe ir mazāk svarīga, jo dabiskā konvekcija ir vāja neatkarīgi no klīrensa, bet 0,3D joprojām ir saprātīgs minimālais mehāniskais klīrenss. Verdošiem šķidrumiem atstatums jāpalielina līdz 1,5 D, lai ļautu tvaika burbuļiem izkļūt, neskarot sienu. Korelāciju Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) var izmantot inženieri, kas ir iesaistīti kompaktu tvertņu konstrukciju izveidē, lai aprēķinātu paredzēto temperatūras pieaugumu spraugā, ja g/D < 1,0. Ja aprēķinātā virsmas temperatūra ir augstāka par 150 grādiem nepārtrauktai darbībai vai par 170 grādiem ar pārtraukumiem, vai nu palieliniet atstarpi vai samaziniet vatu blīvumu. Ievērojot viena diametra noteikumu uzstādīšanas laikā, tiek pilnībā novērsta tipiskākā lauka kļūme, ko izraisa nepareiza klīrenss{12}}lokalizēts apdegums sienas pusē pēc 1000–3000 stundām.