Защо незалепващите характеристики на PFA понякога намаляват ефективността на нагряване при работа със среди с висок-вискозитет?

Когато проектират потопяеми нагреватели за флуиди с висок вискозитет като горещо стопяеми лепила, концентрирани полимерни разтвори, битум или епоксидни смоли, инженерите обикновено определят PFA (перфлуороалкокси алкан) обвивки за тяхната почти универсална химическа устойчивост и превъзходна незалепваща повърхност. Гладкото флуорополимерно покритие с ниско -триене се очаква да елиминира натрупаните-отлагания, да намали времето за престой при почистване и да поддържа нагревателната повърхност винаги чиста. Обаче полеви данни от линии за непрекъсната обработка на полимери и резервоари за задържане на лепило показват изненадващ феномен: самата незалепваща характеристика, която прави PFA желана, може, при определени условия на вискозен поток, драстично да намали способността за пренос на топлина. Това се постига чрез разработване на стабилен термично изолиращ граничен слой, който прилепва слабо към нагревателя, но се задържа срещу него от високия вискозитет на насипния флуид. За да разберем това въздействие, трябва да разгледаме динамиката на флуида на интерфейса нагревател-течност, а не само параметрите на материала.

Феноменът на вискозен подслой на повърхността с ниска{0}}адхезия
При всяка ситуация на нагряване с принудителна или естествена конвекция флуидният слой близо до твърдата стена има по-ниска скорост от обемния поток. За течности с нисък вискозитет, като вода или разредени киселини, този граничен слой обикновено е с дебелина под 0,5 mm и неговият изолационен ефект е малък в сравнение с общия коефициент на топлопреминаване. Средата с висок-вискозитет (тук определена като динамичен вискозитет > 500 cP при работна температура) действа фундаментално различно. Коефициентът на дифузия на импулса е толкова нисък, че вискозният под-слой може да бъде на 3–8 mm от повърхността на нагревателя, особено в резервоари в покой без механично разбъркване.

Този слой се движи бавно върху стандартен метален нагревател с умерена грапавост на повърхността (Ra 0,8-1,6 µm). Топлообменът се осъществява чрез естествена конвекция вътре в самия слой, образувайки микроскопични смесителни вихри за освежаване на течността в контакт с горещата стена. Обратно, PFA повърхността има много ниска повърхностна енергия (нормална стойност 18–20 mN/m) и е много гладка (Ra често<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.

Количествено определяне на наказанието за пренос на топлина: от теорията до измерените данни.
Намаляването на ефективността на нагряване е пряк резултат от закона на Фурие, приложен към вискозния подслой. Топлинният поток q се изразява като q=h (Tsurface − Tbulk), където h е коефициентът на конвективен топлопренос. За флуиди с висок брой Pr (Pr > 100, обичайно за вискозни среди) корелацията на числото на Нуселт Nu=h·L/k има съществено влияние върху „омокряемостта“ или характеристиката на адхезия на стената, която PFA нарочно минимизира. Експериментални данни от контролиран лабораторен тест, използващ 50 000 cP полибутинова течност при 180 градуса, извършен с идентични геометрии на нагревателя с изключение на материала на обвивката, показаха, че PFA-обвитият нагревател достига максимална повърхностна температура от 220 градуса, преди да достигне топлинен поток от само 1,8 W/cm^2, докато грапавата обвивка от Incoloy (Ra 1,2 µm) достига 2,9 W/cm^2 при същата граница на повърхностната температура. С други думи, незалепващата природа на PFA понижи полезната плътност на мощността с около 38% за тази конкретна течност с висок{19}}вискозитет. Това е много по-очевидно, когато течността съдържа суспендирани частици или влакна, които на грапава повърхност ще работят като микро-бъркалки, но на PFA просто се изплъзват, без да нарушават граничния слой.

Защо "чистата повърхност" се превръща в пречка, когато не се движите
Същата незалепваща характеристика, която предотвратява запичането-на отлагания, също така изключва производството на стабилен, прилепнал термичен граничен слой, който може периодично да се разрушава от колебанията на потока. В резервоар с механично разбъркване или рециркулация този разход е намален, тъй като обемната скорост непрекъснато измита горещия граничен слой. Много процеси с висок-вискозитет обаче умишлено използват умерено или периодично разбъркване, за да се избегне аерирането на течността или разграждането на чувствителните-на срязване полимери. В такива случаи по същество неподвижна обвивка от горещ флуид с висок вискозитет може да обгърне PFA обвивката и да действа като термично одеяло. Инфрачервени снимки на PFA нагревател в 100 000 cP битум при 160 градуса за два часа показват стабилна кръгла област от течност с дебелина около 5 mm с температура около 8–12 градуса по-ниска от повърхността на обвивката, докато основната температура изостава много. Метален нагревател със същата геометрия, но малко по-висока повърхностна енергия, генерира видими конвективни струи, които се отделят редовно от повърхността, което води до 40% по-бързо време за загряване на обема.

Сравнително ръководство за избор: Кога незалепващият PFA е (или не е) най-добрият за вискозно нагряване
В таблицата по-долу е предоставена рамка за вземане на решения въз основа на основния режим на потока, обхвата на вискозитета и приемливия компромис-между удобството на почистване и топлинната ефективност. Преди окончателно да вземат решение за материала на обвивката, инженерите трябва да проверят числото на Прандтл на тяхната индивидуална течност и очакваната дебелина на граничния слой чрез обикновен лабораторен тест.

Условия на процеса и диапазон на вискозитет Препоръчителен материал на обвивката и сърцевина на повърхността Обосновка за ефективност на нагряване
Висок вискозитет (1000-100 000 cP) резервоар в покой без разбъркване Продължителни времена на задържане Грапав метал (напр. неръждаема стомана, Incoloy) или PFA с персонализирана микро-текстура Металната повърхност причинява микро-конвективни смущения на вискозния подслой и повишава топлинния поток с 30-50% в сравнение с гладката PFA. Приемете периодично почистване за варени отлагания. *
Висок вискозитет, непрекъсната рециркулация (Re > 2300 в нагревателен контур) Стандартен гладък PFA Насипен поток измива непрекъснато граничния слой. Предимството на незалепващото покритие предотвратява натрупването-на депозит. малък (<10%) heating efficiency penalty compared to metal.
Среден вискозитет (100-1000 cP), нежно разбъркване или случайно разбъркване PFA с повърхностно щамповане или спирални жлебове Проектираната текстура нарушава граничния слой, като същевременно позволява незалепващо изтичане на повечето течности. Най-добрият компромис за пренос на топлина и чистота.

Полимерна стопилка (чувствителна на срязване) (напр. PVC пластизол, PU преполимер) Не залепвайте, избягвайте разграждащите се продукти. Извънгабаритен нагревател за компенсиране на 30-40% неустойка при пренос на топлина