De ce caracteristica anti--aderență a PFA reduce uneori eficiența de încălzire atunci când se lucrează cu medii de-vâscozitate ridicată?

Atunci când proiectează încălzitoare cu imersie pentru fluide cu vâscozitate ridicată, cum ar fi adezivii topibili la cald, soluțiile polimerice concentrate, bitumul sau rășinile epoxidice, inginerii specifică în mod obișnuit învelișurile PFA (perfluoroalcoxi alcan) pentru rezistența lor chimică aproape universală și suprafața anti{0}}superioară. Învelișul neted, cu fluoropolimer cu frecare redusă-se așteaptă să elimine depunerile fierte-pe, să reducă timpul de întrerupere a curățării și să mențină suprafața de încălzire permanent curată. Cu toate acestea, datele de teren de la liniile continue de procesare a polimerilor și rezervoarele de stocare a adezivului arată un fenomen surprinzător: caracteristica foarte anti-care face PFA dezirabilă poate, în anumite condiții de curgere vâscoasă, să reducă dramatic capacitatea de transfer de căldură. Acest lucru se realizează prin dezvoltarea unui strat limită izolator termic stabil, care se lipește slab de încălzitor, dar este ținut de acesta de vâscozitatea ridicată a fluidului în vrac. Pentru a înțelege acest impact, trebuie să ne uităm la dinamica fluidelor la interfața cu lichidul încălzitorului-și nu doar la parametrii materialului.

Fenomenul substratului vâscos de la suprafață cu aderență redusă-
În orice situație de încălzire forțată sau convecție naturală, stratul de fluid din apropierea peretelui solid are o viteză mai mică decât fluxul în vrac. Pentru fluidele cu vâscozitate scăzută, cum ar fi apa sau acizii diluați, acest strat limită are de obicei o grosime mai mică de 0,5 mm și efectul său de izolare este mic în comparație cu coeficientul global de transfer de căldură. Mediile cu-vâscozitate ridicată (definite aici ca vâscozitate dinamică > 500 cP la temperatura de funcționare) acționează fundamental diferit. Difuzivitatea impulsului este atât de scăzută încât sub-stratul vâscos poate fi la 3–8 mm de suprafața încălzitorului, în special în rezervoarele inactiv fără agitare mecanică.

Acest strat se mișcă lent pe un încălzitor metalic standard cu rugozitate moderată a suprafeței (Ra 0,8-1,6 µm). Schimbul de căldură are loc prin convecție naturală în interiorul stratului propriu-zis, formând turbulențe microscopice de amestecare pentru a reîmprospăta lichidul în contact cu peretele fierbinte. În schimb, suprafața PFA are o energie de suprafață foarte scăzută (valoare normală 18–20 mN/m) și este foarte netedă (Ra frecvent<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.

Cuantificarea penalizării transferului de căldură: de la teorie la datele măsurate.
Reducerea eficienței de încălzire este un rezultat direct al legii lui Fourier aplicată substratului vâscos. Fluxul de căldură q este exprimat ca q=h (Tsurface − Tbulk) unde h este coeficientul de transfer de căldură convectiv. Pentru fluidele cu număr Pr ridicat (Pr > 100, comun pentru mediile vâscoase), corelația numărului Nusselt Nu=h·L/k are o influență substanțială asupra „umectabilității” sau caracteristicii de aderență a peretelui, pe care PFA o minimizează în mod intenționat. Datele experimentale dintr-un test de laborator controlat folosind un fluid de polibutenă de 50.000 cP la 180 de grade, efectuat cu geometrii identice a încălzitorului, cu excepția materialului de înveliș, au arătat că încălzitorul învelit cu PFA{9}}a atins o temperatură maximă a suprafeței de 220 de grade înainte de a atinge un flux de căldură de numai un cm^128 în interior. (Ra 1,2 µm) a atins 2,9 W/cm^2 sub aceeași limită de temperatură a suprafeței. Cu alte cuvinte, natura anti-aderente a PFA a scăzut densitatea de putere utilă cu aproximativ 38% pentru acest fluid cu-vâscozitate ridicată. Acest lucru este mult mai evident atunci când fluidul conține particule sau fibre în suspensie, care pe o suprafață aspră vor funcționa ca micro-agitatoare, dar pe PFA pur și simplu alunecă fără a perturba stratul limită.

De ce „suprafața curată” devine un obstacol atunci când nu se mișcă
Aceeași caracteristică antiaderență care previne coacerea-pe depuneri, de asemenea, împiedică producerea unui strat limită termic stabil, aderent, care ar putea fi întrerupt periodic de fluctuațiile debitului. Într-un rezervor cu agitare mecanică sau recirculare, acest cost este redus deoarece viteza în vrac mătură continuu stratul de margine fierbinte. Cu toate acestea, multe procese cu-vâscozitate ridicată utilizează în mod deliberat agitare moderată sau intermitentă pentru a evita aerarea fluidului sau degradarea polimerilor-sensibili la forfecare. În astfel de cazuri, o înveliș în mod esențial nemișcat de fluid fierbinte de înaltă vâscozitate poate învălui învelișul PFA și poate acționa ca o pătură termică. Fotografiile cu infraroșu ale unui încălzitor PFA în bitum de 100.000 cP la 160 de grade timp de două ore au arătat o regiune circulară stabilă de fluid de aproximativ 5 mm grosime, cu o temperatură cu aproximativ 8-12 grade mai mică decât suprafața învelișului, în timp ce temperatura în vrac a rămas mult în urmă. Un încălzitor metalic cu aceeași geometrie, dar cu o energie de suprafață puțin mai mare a generat penuri convective vizibile care s-au desprins de suprafață în mod regulat, rezultând un timp de încălzire în vrac cu 40% mai rapid.

Ghid de selecție comparativ: când PFA antiaderent este (sau nu este) cel mai bun pentru încălzirea vâscoasă
Cadrul de decizie bazat pe regimul de curgere principal, intervalul de vâscozitate și schimbul acceptabil-între confortul curățării și eficiența termică este prezentat în tabelul de mai jos. Înainte de a decide în cele din urmă asupra materialului învelișului, inginerii ar trebui să verifice numărul Prandtl al fluidului lor individual și grosimea așteptată a stratului limită prin intermediul unui simplu test de laborator.

Condiții de proces și interval de vâscozitate Materialul de înveliș recomandat și miezul de suprafață Motivul pentru eficiența încălzirii
Vâscozitate ridicată (1.000-100.000 cP) rezervor de repaus fără agitare timpi îndelungați de păstrare Metalul dur (de exemplu, oțel inoxidabil, Incoloy) sau PFA cu micro-textură personalizată Suprafața metalică provoacă perturbări micro{-convective ale substratului vâscos și îmbunătățește fluxul de căldură neted prin comparație cu P50%FA30. Acceptați curățarea periodică pentru depuneri gătite. *
Vâscozitate ridicată, recirculare continuă (Re > 2.300 în bucla de încălzire) Fluxul în vrac standard de PFA neted mătură stratul de margine în mod continuu. Avantajul antiaderență inhibă acumularea-de depozit. mic (<10%) heating efficiency penalty compared to metal.
Vâscozitate medie (100-1000 cP), agitare ușoară sau agitare ocazionalăPFA cu gofrare la suprafață sau caneluri elicoidale Textura proiectată sparge stratul limită, permițând totuși descărcarea antiaderentă a majorității fluidelor. Cel mai bun compromis pentru transferul de căldură și curățenie.

Topitură de polimer (sensibilă la forfecare) (de ex. plastisol PVC, prepolimer PU) Păstrați neaderență-, evitați degradarea produselor. Încălzitor supradimensionat pentru a compensa penalizarea transferului de căldură de 30-40%.