Какво е безопасното разстояние между PFA потопяем нагревател и стената на резервоара за предотвратяване на разграждането на полимера?

Ако потопяемите нагреватели PFA са твърде близо до стената на резервоара, между нагревателя и стената на резервоара ще се образува локална зона със застояла или бавно течаща течност. Типичният конвекционен поток, пренасящ топлината далеч от PFA обвивката, е ограничен в това ограничено пространство. Течността в празнината бавно се нагрява, плътността й намалява и тя се улавя под по-топлата течност отгоре. Това явление се нарича стагнация на флуида или канализиране, а локалният коефициент на топлопреминаване е с 50-80% по-нисък от този за безпрепятствен нагревател. Температурата на повърхността на PFA обвивката към стената е с 15-40 градуса по-висока от страната към отворения резервоар. Това ускорява разрушаването на полимера, насърчава образуването на мехури и намалява живота на нагревателя. Безопасното разстояние може да бъде оценено чрез балансиране на ефективността на пространството на резервоара и необходимостта от правилна циркулация на течността по цялата обиколка на нагревателя.

Динамика на флуида в междината-нагревател-стена
За вертикален цилиндричен нагревател, монтиран успоредно на плоска стена на резервоар, ширината на междината (g) е разстоянието между външната повърхност на нагревателя и стената. Естествената конвекция в празнината има множество режими според безразмерното число на Релей. Когато g е по-голямо от 3–4 D, междината функционира като отворен канал и коефициентът на топлопреминаване е същият като този на свободно стоящ нагревател. Когато g е по-малко от 1,5D, възходящата струя течност от нагревателя нарушава граничния слой на стената. Нагрятата течност тече нагоре в малката междина, образувайки високо-скоростна струя, която увлича по-хладна течност отдолу. Всъщност тази струя подобрява предаването на топлина за пролуките от 0.5D до 1.0D. Опасният режим е при пропуски между 0,1D и 0,4D. При такива малки разстояния стената ограничава растежа на струята нагоре. Улавянето на течност причинява намаляване на местното число на Нуселт (безразмерен коефициент на топлопреминаване) до 30–50% от стойността на свободния поток.

За стандартен PFA нагревател с диаметър 25 mm (D=25 mm) прагът на безопасното разстояние е около 1,0D=25 mm от стената на резервоара. Режимът на стагнация започва от 10 mm (0,4D). Във вода при 90 градуса с празнина от 5 mm експерименталните данни показват, че коефициентът на топлопреминаване от страната, обърната към стената, трябва да бъде намален от 800 W/m2K (свободен поток) до 250–350 W/m2K. За нагревател, работещ при 5 W/cm2, това намаление повишава температурата на повърхността на PFA до 135–145 градуса от страната, обърната към -стената, от 105 градуса, което е 30–40 градуса покачване. Скоростта на проникване на вода и киселини през PFA при 145 градуса е два пъти по-висока, отколкото при 105 градуса и якостта на опън на полимера намалява с 15-20%. Тази гореща точка е локализирана и причинява преждевременно образуване на мехури или напукване на страната, обърната към стената, отворената страна е невредима. Повече от 5000 часа работа.

Материална и температурна зависимост на минималното разстояние
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), тъй като повишаването на температурата в междината е по-високо. Когато възникнат такива обстоятелства, минималната безопасна междина трябва да се увеличи до 1,5 D. За нисък топлинен поток (<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) имат слаба естествена конвекция. Наказанието за стагнация в малки междини е по-малко сериозно, тъй като коефициентът на топлопреминаване на свободния поток вече е нисък (100–200 W/m²·K). Проблемът с маслата не е толкова локално прегряване, колкото намаляването на топлообмена като цяло. Най-сериозното наказание за стагнация и най-големите изисквания за безопасно разстояние се срещат във вода и разредени киселини (нисък вискозитет, висока термична дифузия).

Материалът на стената на резервоара е важен, тъй като той определя граничното състояние. Метална стена на резервоара (висока топлопроводимост) може да отвежда топлината от празнината, като частично намалява стагнацията. Металната стена е радиатор, поддържащ течността в междината по-хладна, отколкото в пластмасов резервоар или резервоар с покритие. За резервоари от неръждаема стомана безопасното минимално разстояние може да бъде намалено с 20 до 30 процента в сравнение с това за резервоари от полипропилен или FRP. Въпреки това, ако PFA обвивката докосне стената, има възможност за заземяване с метален резервоар. За напрежение до 480 V трябва да има минимално електрическо разстояние от 12 mm, независимо от термичните съображения.

Ръководство за минимално безопасно разстояние по параметри на приложението
Диаметър на нагревателя (D) Приложен топлинен поток Тип течност (вискозитет) Материал на стената на резервоара Минимална препоръчителна междина Ефект от 50% намаляване на междината
20-25 мм<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 Всякаква течност с нисък-вискозитет Всякаква междина 1,5D (38-40 mm)<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (нагревател с голям-диаметър) 3–6 W/cm² Вода, разредена киселина Пластмаса 1.0D (30–40 mm) по-голям D изисква съответно по-голяма междина
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1000 cP) Всеки 0,3D (мин. 10 mm) Скромно наказание за стагнация; Вискозитетът на маслото така или иначе ограничава конвекцията
Всякакъв диаметър Всякаква кипяща течност Всякакви 1,5D мин. Парните мехурчета се нуждаят от пространство, за да излязат Пролука<1.0D produces vapour blanketing
Малък резервоар (широк<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Практическа проверка на инсталацията
Два теста на място показват, че съществуващите инсталации нямат достатъчно пространство, където разстоянието не може да бъде измерено директно (нагреватели, скрити от скоби или фланци). Първо, измерете повърхностната температура на PFA от страната, обърната към стената, като използвате инфрачервен термометър през зрителния отвор или по време на източване на резервоара. Стагнацията беше разпозната, когато температурната разлика между страната, обърната към стената-и страната на отворения-резервоар беше по-голяма от 15 градуса. Второ, проверете обърнатата към стената-страна на изключен-нагревател за локализирано обезцветяване (жълто-кафяво) или образуване на мехури. Тези симптоми са от страната на стената много преди отворената страна да покаже каквито и да било доказателства за влошаване. За нови инсталации използвайте дистанционери или опори, които поддържат определено минимално разстояние. Металът не е добър избор за противопоставяне, тъй като може да образува линии на заземяване. Пластмасовите (PVDF или PTFE) опори са най-добрият избор. Позиционирайте разстоянията точно в горната и долната част на нагревателя - средните-разстояния създават свои собствени точки на стагнация. Ако размерът на резервоара води до по-нисък от необходимия минимум, намалете плътността на ватовете на нагревателя с 25-30%, за да компенсирате по-ниското предаване на топлина. Нагревател с по-ниска плътност на вата и междина 0,3D може да постигне същата повърхностна температура на PFA като конвенционален нагревател с междина 1,0D. Или поставете два малки нагревателя вместо един огромен нагревател. Раздалечете ги от стените и един от друг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЕДИН ДИАМЕТЪР Е ДОБРО ПРАВИЛО
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), празнината е по-малко важна, тъй като естествената конвекция е слаба независимо от хлабината, но 0,3D все още е разумен минимум за механична хлабина. За кипящи течности разстоянието трябва да се увеличи до 1,5D, за да се позволи на мехурчетата пара да излязат, без да се удрят в стената. Корелацията Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) може да се използва от инженери, участващи в изграждането на компактни конструкции на резервоари, за да изчислят прогнозираното повишаване на температурата в междината за g/D < 1,0. Ако изчислената температура на повърхността е по-висока от 150 градуса за непрекъсната или 170 градуса за периодична работа, или увеличете разстоянието, или намалете плътността на мощността. Най-типичната повреда на място от неправилно разстояние-локализирано обгаряне върху стената-лицевата страна след 1000-3000 часа се избягва напълно чрез спазване на правилото за един диаметър по време на монтажа.