Care este distanța de siguranță dintre un încălzitor cu imersie PFA și peretele rezervorului pentru a preveni degradarea polimerului?

Dacă încălzitoarele cu imersiune PFA sunt prea aproape de peretele rezervorului, între încălzitor și peretele rezervorului se va dezvolta o zonă locală de fluid stagnant sau cu curgere lentă. Fluxul de convecție tipic care transportă căldura departe de învelișul PFA este limitat în acest spațiu restrâns. Fluidul din gol se încălzește încet, densitatea acestuia scade și rămâne prins sub fluidul mai cald de deasupra. Acest fenomen se numește stagnare sau canalizare a fluidului, iar coeficientul de transfer de căldură local este cu 50-80% mai mic decât cel pentru un încălzitor neobstrucționat. Temperatura suprafeței învelișului PFA către perete este cu 15-40 de grade mai mare decât partea către rezervorul deschis. Acest lucru accelerează deteriorarea polimerului, promovează formarea de vezicule și reduce durata de viață a încălzitorului. Distanța de siguranță poate fi evaluată prin echilibrarea eficienței spațiului rezervorului și nevoia de circulație adecvată a fluidului pe întreaga circumferință a încălzitorului.

Dinamica fluidelor în spațiul de încălzire-la-perete
Pentru un încălzitor cilindric vertical montat paralel cu un perete plat al rezervorului, lățimea spațiului (g) este distanța dintre suprafața exterioară a încălzitorului și perete. Convecția naturală în decalaj are mai multe regimuri în funcție de numărul Rayleigh adimensional. Când g este mai mare de 3–4 D, decalajul funcționează ca un canal deschis, iar coeficientul de transmisie a căldurii este același cu cel al unui încălzitor liber-. Când g este mai mic de 1,5D, pana de fluid ascendent de la încălzitor perturbă stratul limită al peretelui. Fluidul încălzit curge în sus în spațiul mic, formând un jet cu viteză mare-care antrenează fluidul mai rece de jos. De fapt, acest jet îmbunătățește transmiterea căldurii pentru golurile de la 0,5D la 1,0D. Regimul periculos este la intervale între 0,1D și 0,4D. La distanțe atât de mici, peretele limitează creșterea jetului în sus. Captarea fluidelor determină o scădere a numărului local Nusselt (coeficientul de transfer de căldură adimensional) la 30–50% din valoarea fluxului liber.

Pentru un încălzitor PFA standard cu diametrul de 25 mm (D=25 mm), pragul distanței de siguranță este de aproximativ 1,0D=25 mm de peretele rezervorului. Regimul de stagnare începe la 10 mm (0,4D). În apă la 90 de grade cu un spațiu de 5 mm, datele experimentale arată că coeficientul de transfer de căldură pe partea îndreptată spre perete trebuie redus de la 800 W/m2K (flux liber) la 250–350 W/m2K. Pentru un încălzitor care funcționează la 5 W/cm2, această reducere ridică temperatura suprafeței PFA la 135–145 de grade pe partea din fața peretelui-de la 105 de grade , o creștere de 30–40 de grade. Rata de penetrare a apei și acizilor prin PFA la 145 grade este de două ori mai mare decât la 105 grade și rezistența la tracțiune a polimerului scade cu 15-20%. Acest punct fierbinte este localizat și provoacă vezicule sau crăpături premature pe partea cu fața a peretelui, partea deschisă este nevătămată. Peste 5.000 de ore de funcționare.

Dependența de material și temperatură a distanței minime
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) aplicații deoarece creșterea temperaturii în gol este mai mare. Atunci când apar astfel de circumstanțe, intervalul minim de siguranță ar trebui mărit la 1,5 D. Pentru un debit scăzut de căldură (<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) au convecție naturală slabă. Penalizarea de stagnare în goluri mici este mai puțin severă, deoarece coeficientul de transfer de căldură în flux liber este deja scăzut (100–200 W/m²·K). Problema uleiurilor nu este atât supraîncălzirea locală, cât reducerea transferului de căldură în general. Cea mai severă penalizare de stagnare și cele mai mari cerințe de distanță de siguranță apar în apă și acizi diluați (vâscozitate scăzută, difuzivitate termică ridicată).

Materialul peretelui rezervorului este important deoarece definește starea la limită. Un perete metalic al rezervorului (conductivitate termică ridicată) poate transfera căldura departe de gol, scăzând parțial stagnarea. Peretele metalic este un radiator, menținând lichidul din spațiu mai rece decât într-un rezervor de plastic sau acoperit. Pentru rezervoarele din oțel inoxidabil, spațiul minim sigur poate fi redus cu 20 până la 30% față de cel pentru rezervoarele din polipropilenă sau FRP. Cu toate acestea, dacă mantaua PFA atinge peretele, există posibilitatea de defecțiune la pământ cu un rezervor metalic. Pentru tensiuni de până la 480 V, ar trebui să existe un spațiu electric minim de 12 mm, indiferent de considerentele termice.

Ghid pentru distanța minimă de siguranță în funcție de parametrii aplicației
Diametrul încălzitorului (D) Fluxul de căldură aplicat Tipul de fluid (vâscozitate) Materialul peretelui rezervorului Efectul minim recomandat al golului de reducere cu 50% a golului
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 Orice fluid cu vâscozitate redusă Orice interval de 1,5D (38-40 mm)<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (încălzitor cu diametru-mare) 3–6 W/cm² Apă, acid diluat Plastic Cu 1,0D (30–40 mm) D mai mare necesită un spațiu corespunzător mai mare
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1.000 cP) Orice 0,3D (min 10 mm) Penalizare de stagnare modestă; vâscozitatea uleiului limitează oricum convecția
Orice diametru Oricare Lichid în fierbere Oricare 1,5D min Bulele de vapori au nevoie de spațiu pentru a scăpa Gap<1.0D produces vapour blanketing
Rezervor mic (larg<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Verificarea practică a instalării
Două teste pe teren arată că instalațiile existente nu au spațiu suficient unde distanța nu poate fi măsurată direct (încălzitoare ascunse de console sau flanșe). În primul rând, măsurați temperatura suprafeței PFA pe partea îndreptată spre perete folosind un termometru cu infraroșu printr-un port de vedere sau în timpul scurgerii rezervorului. Stagnarea a fost recunoscută atunci când diferența de temperatură dintre partea cu fața a peretelui-și partea deschisă-a rezervorului a fost mai mare de 15 grade . În al doilea rând, verificați peretele-față de perete a unui încălzitor de-energizat pentru decolorare localizată (galben-maro) sau vezicule. Aceste simptome sunt pe partea peretelui cu mult înainte ca partea deschisă să afișeze vreo dovadă de deteriorare. Pentru instalații noi utilizați distanțiere sau distanțiere care mențin o distanță minimă definită. Metalul nu este o alegere bună pentru distanțe, deoarece poate forma linii de falie la pământ. Distanțele din plastic (PVDF sau PTFE) sunt cea mai bună alegere. Poziționați separatoarele chiar în partea de sus și de jos a dispozitivului de încălzire - mijlocul-separatoarele își produc propriile puncte de stagnare. Dacă dimensiunea rezervorului are ca rezultat un minim mai mic decât cel necesar, reduceți densitatea în wați a încălzitorului cu 25-30% pentru a compensa transmisia mai scăzută a căldurii. Un încălzitor cu o densitate mai mică de wați și un spațiu de 0,3D poate atinge aceeași temperatură a suprafeței PFA ca un încălzitor convențional cu un spațiu de 1,0D. Sau puneți două încălzitoare mici în loc de un încălzitor mare. Spați-le departe de pereți și departe unul de celălalt.

CONCLUZIE UN DIAMETRU ESTE O REGULĂ BUNĂ
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), decalajul este mai puțin important, deoarece convecția naturală este slabă indiferent de spațiu, dar 0,3D este încă un minim rezonabil pentru spațiul mecanic. Pentru lichide care fierb, distanța trebuie mărită la 1,5D pentru a permite bulelor de vapori să scape fără să lovească peretele. Corelația Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) poate fi utilizată de inginerii implicați în construirea de proiecte compacte de rezervoare pentru a calcula creșterea proiectată a temperaturii în interval pentru g/D < 1,0. Dacă temperatura suprafeței calculată este mai mare de 150 de grade pentru funcționare continuă sau 170 de grade pentru funcționare intermitentă, fie măriți intervalul, fie reduceți densitatea de wați. Cea mai obișnuită defecțiune a câmpului cauzată de un spațiu necorespunzător-arsurile localizate pe peretele-îndreptat după 1.000-3.000 de ore este pe deplin evitată prin respectarea regulii unui diametru în timpul instalării.