Kāpēc PFA nepiedegošā īpašība dažkārt samazina sildīšanas efektivitāti, strādājot ar augstas-viskozitātes materiāliem?

Izstrādājot iegremdējamos sildītājus augstas viskozitātes šķidrumiem, piemēram, kausējamām līmēm, koncentrētiem polimēru šķīdumiem, bitumena vai epoksīda sveķiem, inženieri parasti nosaka PFA (perfluoralkoksialkāna) apvalkus to gandrīz universālās ķīmiskās izturības un izcilās -nepiedegošās virsmas dēļ. Paredzams, ka gludais, zemas-berzes fluorpolimēra pārklājums novērsīs nosēdumus, saīsinās tīrīšanas dīkstāves laiku un uztur sildvirsmu vienmēr tīru. Tomēr lauka dati no nepārtrauktas polimēru apstrādes līnijām un līmes turēšanas tvertnēm liecina par pārsteidzošu parādību: ļoti nelipīgā īpašība, kas padara PFA vēlamu, noteiktos viskozas plūsmas apstākļos var ievērojami samazināt siltuma pārneses spēju. Tas tiek darīts, izveidojot stabilu siltumizolējošu robežslāni, kas vāji pielīp pie sildītāja, bet tiek noturēts pret to lielā šķidruma daudzuma dēļ. Lai saprastu šo ietekmi, mums ir jāaplūko šķidruma dinamika sildītāja{8}}šķidruma saskarnē, nevis tikai materiāla parametri.

Zemas-adhēzijas virsmas viskozs apakšslāņa fenomens
Jebkurā piespiedu vai dabiskās konvekcijas sildīšanas situācijā šķidruma slānim, kas atrodas tuvu cietajai sienai, ir mazāks ātrums nekā lielapjoma plūsmai. Zemas viskozitātes šķidrumiem, piemēram, ūdenim vai atšķaidītām skābēm, šis robežslānis parasti ir mazāks par 0,5 mm, un tā izolācijas efekts ir mazs, salīdzinot ar kopējo siltuma pārneses koeficientu. Augstas -viskozitātes vide (šeit definēta kā dinamiskā viskozitāte > 500 cP darba temperatūrā) darbojas būtiski atšķirīgi. Impulsa difūzija ir tik zema, ka viskozs apakšslānis var atrasties 3–8 mm attālumā no sildītāja virsmas, it īpaši mierīgās tvertnēs bez mehāniskas maisīšanas.

Šis slānis lēnām pārvietojas uz standarta metāla sildītāja ar mērenu virsmas raupjumu (Ra 0,8-1,6 µm). Siltuma apmaiņa notiek dabiskās konvekcijas ceļā pašā slānī, veidojot mikroskopiskus sajaukšanas virpuļus, lai atsvaidzinātu šķidrumu, kas nonāk saskarē ar karsto sienu. Turpretim PFA virsmai ir ļoti zema virsmas enerģija (normālā vērtība 18–20 mN/m), un tā ir ļoti gluda (Ra bieži<0.2 µm) and this prevents any inclination of the adjacent layer to detach or roll over. The high-viscosity fluid just glides over the fluoropolymer surface without producing disruptive flow patterns. As a result, the thermal boundary layer is much thicker and more stagnant than that on a surface with intermediate roughness or higher adhesion. Infrared thermography quantitative measurements of the steady‑state boundary layer thickness on PFA were 2.3 times that of a stainless steel 316 sheath for the same power input and tank geometry in a bath of 10,000 cP silicone oil at 150 °C.

Siltuma pārneses soda kvantitatīvā noteikšana: no teorijas līdz mērījumu datiem.
Sildīšanas efektivitātes samazināšanās ir tiešs Furjē likuma rezultāts, kas tiek piemērots viskozam apakšslānim. Siltuma plūsmu q izsaka kā q=h (Tvirsma − Tbulk), kur h ir konvektīvās siltuma pārneses koeficients. Šķidrumiem ar augstu Pr skaitu (Pr > 100, bieži sastopams viskozā vidē) Nusselt skaitļu korelācijai Nu=h·L/k ir būtiska ietekme uz sienas "mitrināmību" vai adhēzijas īpašību, ko PFA apzināti samazina. Eksperimentālie dati no kontrolētas laboratorijas testa, izmantojot 50 000 cP polibutēna šķidrumu 180 grādu temperatūrā, kas tika veikts ar identisku sildītāja ģeometriju, izņemot apvalka materiālu, parādīja, ka PFA-apvalka sildītājs sasniedza maksimālo virsmas temperatūru 220 grādi, pirms sasniedza siltuma plūsmu tikai 1,8 cm. 1,2 µm) sasniedza 2,9 W/cm^2 zem tās pašas virsmas temperatūras robežas. Citiem vārdiem sakot, PFA nepiedegošais raksturs samazināja lietderīgo jaudas blīvumu par aptuveni 38% šim konkrētajam augstas viskozitātes šķidrumam. Tas ir daudz acīmredzamāk, ja šķidrumā ir suspendētas daļiņas vai šķiedras, kas uz raupjas virsmas darbosies kā mikromaisītāji, bet uz PFA vienkārši paslīd garām, neizjaucot robežslāni.

Kāpēc “tīra virsma” kļūst par šķērsli, kad nepārvietojas
Tā pati nepiedegošā funkcija, kas novērš nogulsnēšanos-uz nosēdumiem, arī neļauj izveidot stabilu, pielipušos termisko robežslāni, ko periodiski var sabojāt plūsmas svārstības. Tvertnē ar mehānisku maisīšanu vai recirkulāciju šīs izmaksas ir samazinātas, jo masas ātrums nepārtraukti slauka karsto robežslāni. Tomēr daudzos augstas viskozitātes procesos apzināti tiek izmantota mērena vai periodiska maisīšana, lai izvairītos no šķidruma aerācijas vai bīdes jutīgo polimēru noārdīšanās. Šādos gadījumos būtībā nekustīgs karsta augstas viskozitātes šķidruma apvalks var aptvert PFA apvalku un darboties kā termiskā sega. Infrasarkanās fotogrāfijas ar PFA sildītāju 100 000 cP bitumena 160 grādos divas stundas liecināja par stabilu apļveida šķidruma apgabalu, kura biezums bija aptuveni 5 mm, un temperatūra bija par aptuveni 8–12 grādiem zemāka nekā apvalka virsma, bet tilpuma temperatūra ievērojami atpalika. Metāla sildītājs ar tādu pašu ģeometriju, bet nedaudz augstāku virsmas enerģiju radīja redzamus konvekcijas slāņus, kas regulāri atdalījās no virsmas, kā rezultātā tika panākts par 40% ātrāks lielapjoma uzsilšanas laiks.

Salīdzinošās atlases rokasgrāmata: kad nepiedegošais PFA ir (vai nav) vislabākais viskozai karsēšanai
Tālāk esošajā tabulā ir sniegta lēmumu sistēma, kas balstīta uz galveno plūsmas režīmu, viskozitātes diapazonu un pieņemamu kompromisu- starp tīrīšanas ērtībām un termisko efektivitāti. Pirms galīgā lēmuma pieņemšanas par apvalka materiālu inženieriem jāpārbauda sava individuālā šķidruma Prandtl numurs un paredzamais robežslāņa biezums, izmantojot vienkāršu laboratorijas vārglāzes testu.

Apstrādes apstākļi un viskozitātes diapazons Ieteicamais apvalka materiāls un virsmas pamatojums apkures efektivitātei
Augsta viskozitāte (1000{5}}100000 cP) klusā stāvoklī bez maisīšanas, ilgstoši turēšanas laiki Rupināts metāls (piem., nerūsējošais tērauds, Incoloy) vai PFA ar pielāgotu mikro-tekstūruMetāla virsma izraisa mikro-konvektīvos traucējumus viskozā apakšslānī, salīdzinot ar 0 %, lai palielinātu viskozā apakšslāņa siltuma plūsmu. Pieņemiet periodisku tīrīšanu, ja tie ir pagatavoti uz nogulsnēm. *
Augsta viskozitāte, nepārtraukta recirkulācija (Re > 2300 apkures lokā) Standarta vienmērīga PFA Lielapjoma plūsma nepārtraukti slauka robežslāni. Nonstick priekšrocība kavē depozīta uzkrāšanos-. Mazs (<10%) heating efficiency penalty compared to metal.
Vidēja viskozitāte (100{1}}1000 cP), maiga maisīšana vai neregulāra maisīšana PFA ar virsmas reljefu vai spirālveida rievām Inženierizētā tekstūra pārrauj robežslāni, vienlaikus ļaujot nepiedegot lielākajai daļai šķidrumu. Labākais kompromiss siltuma pārnesei un tīrībai.

Polimēru kausējums (jutīgs pret bīdi) (piem., PVC plastizols, PU prepolimērs) Uzglabāt nepielipšanu, izvairīties no degradējošiem produktiem. Liela izmēra sildītājs, lai kompensētu 30-40% siltuma pārneses sodu