Jaka jest bezpieczna odległość między grzałką zanurzeniową PFA a ścianą zbiornika, aby zapobiec degradacji polimeru?

Jeśli grzałki zanurzeniowe PFA zostaną umieszczone zbyt blisko ściany zbiornika, pomiędzy grzałką a ścianą zbiornika powstanie lokalny obszar stojącego lub wolno płynącego płynu. Typowy przepływ konwekcyjny transportujący ciepło z osłony PFA jest ograniczony w tej ograniczonej przestrzeni. Płyn w szczelinie powoli się nagrzewa, jego gęstość maleje i zostaje uwięziony pod cieplejszym płynem powyżej. Zjawisko to nazywa się stagnacją lub kanałowaniem płynu, a lokalny współczynnik przenikania ciepła jest o 50-80% niższy niż w przypadku niezakłóconego grzejnika. Temperatura powierzchni płaszcza PFA w kierunku ściany jest o 15-40 stopni wyższa niż w przypadku strony w kierunku otwartego zbiornika. Przyspiesza to niszczenie polimeru, sprzyja tworzeniu się pęcherzy i skraca żywotność grzejnika. Bezpieczną odległość można ocenić równoważąc wydajność przestrzeni zbiornika i potrzebę prawidłowej cyrkulacji płynu na całym obwodzie grzejnika.

Dynamika płynów w szczelinie grzejnika-do-ściany
W przypadku pionowego grzejnika cylindrycznego zamontowanego równolegle do płaskiej ściany zbiornika szerokość szczeliny (g) jest odległością pomiędzy zewnętrzną powierzchnią grzejnika a ścianą. Konwekcja naturalna w szczelinie ma wiele reżimów zgodnie z bezwymiarową liczbą Rayleigha. Gdy g jest większe niż 3–4 D, szczelina działa jak kanał otwarty, a współczynnik przenikania ciepła jest taki sam jak w przypadku grzejnika wolnostojącego. Gdy g jest mniejsze niż 1,5 D, wznosząca się chmura płynu z grzejnika zakłóca warstwę przyścienną. Ogrzany płyn przepływa do góry przez maleńką szczelinę, tworząc strumień-o dużej prędkości, który porywa chłodniejszy płyn od dołu. W rzeczywistości strumień ten poprawia przenoszenie ciepła w przypadku szczelin od 0,5D do 1,0D. Reżim niebezpieczny obejmuje przerwy pomiędzy 0,1D a 0,4D. Przy tak małych prześwitach ściana ogranicza wzrost strumienia skierowanego ku górze. Wychwytywanie cieczy powoduje zmniejszenie lokalnej liczby Nusselta (bezwymiarowego współczynnika przenikania ciepła) do 30–50% wartości swobodnego strumienia.

W przypadku standardowego grzejnika PFA o średnicy 25 mm (D=25 mm) próg bezpiecznej odległości wynosi około 1,0 D=25 mm od ściany zbiornika. Reżim stagnacji zaczyna się od 10 mm (0,4D). Dane eksperymentalne wykazały, że w wodzie o temperaturze 90 stopni i szczelinie 5 mm współczynnik przenikania ciepła po stronie zwróconej do ściany zmniejsza się z 800 W/m2K (swobodny strumień) do 250–350 W/m2K. W przypadku grzejnika pracującego przy mocy 5 W/cm2 redukcja ta podnosi temperaturę powierzchni PFA do 135–145 stopni po stronie-ściany z 105 stopni, co oznacza wzrost o 30–40 stopni. Szybkość przenikania wody i kwasów przez PFA w temperaturze 145 stopni jest dwukrotnie większa niż w temperaturze 105 stopni, a wytrzymałość polimeru na rozciąganie spada o 15-20%. To gorące miejsce jest zlokalizowane i powoduje przedwczesne powstawanie pęcherzy lub pękanie po stronie skierowanej w stronę ściany, otwarta strona pozostaje nienaruszona. Ponad 5000 godzin pracy.

Zależność odległości minimalnej od materiału i temperatury
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), ponieważ wzrost temperatury w szczelinie jest większy. W przypadku wystąpienia takich okoliczności należy zwiększyć minimalną bezpieczną szczelinę do 1,5 D. Dla małych przepływów ciepła (<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) mają słabą konwekcję naturalną. Kara za stagnację w małych szczelinach jest mniej dotkliwa, ponieważ współczynnik przenikania ciepła swobodnego strumienia jest już niski (100–200 W/m²·K). Problemem olejów nie jest miejscowe przegrzanie, ale ogólne ograniczenie wymiany ciepła. Najpoważniejsze kary za stagnację i największe wymagania dotyczące bezpiecznej odległości występują w wodzie i rozcieńczonych kwasach (niska lepkość, wysoka dyfuzyjność cieplna).

Materiał ściany zbiornika jest ważny, ponieważ określa warunek brzegowy. Metalowa ściana zbiornika (wysoka przewodność cieplna) może odprowadzać ciepło ze szczeliny, częściowo zmniejszając stagnację. Metalowa ściana pełni funkcję radiatora, utrzymując płyn w szczelinie chłodniejszy niż w zbiorniku z tworzywa sztucznego lub powlekanego. W przypadku zbiorników ze stali nierdzewnej bezpieczną minimalną szczelinę można zmniejszyć o 20 do 30 procent w porównaniu z zbiornikami z polipropylenu lub FRP. Jeśli jednak osłona PFA dotknie ściany, istnieje możliwość zwarcia doziemnego w metalowym zbiorniku. W przypadku napięć do 480 V minimalny odstęp elektryczny powinien wynosić 12 mm, niezależnie od czynników termicznych.

Przewodnik po minimalnej bezpiecznej odległości według parametrów aplikacji
Średnica grzejnika (D) Zastosowany strumień ciepła Typ płynu (lepkość) Materiał ścianki zbiornika Minimalna zalecana szczelina Efekt 50% zmniejszenia szczeliny
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 Dowolny płyn o niskiej-lepkości Dowolny odstęp 1,5D (38–40 mm)<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (grzejnik o dużej-średnicy) 3–6 W/cm² Woda, rozcieńczony kwas Tworzywo sztuczne 1,0D (30–40 mm) większe D wymaga odpowiednio większej szczeliny
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1000 cP) Dowolne 0,3D (min. 10 mm) Kara za stagnację niewielka; lepkość oleju i tak ogranicza konwekcję
Dowolna średnica Dowolna Wrząca ciecz Dowolna 1,5D min Pęcherzyki pary potrzebują miejsca, aby wydostać się ze szczeliny<1.0D produces vapour blanketing
Mały zbiornik (szeroki<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Praktyczna weryfikacja instalacji
Dwie próby terenowe wykazały, że istniejące instalacje nie mają wystarczającej przestrzeni, gdzie nie można bezpośrednio zmierzyć odległości (grzejniki ukryte za wspornikami lub kołnierzami). Najpierw należy zmierzyć temperaturę powierzchni PFA od strony ściany za pomocą termometru na podczerwień przez wziernik lub podczas opróżniania zbiornika. Stagnację rozpoznano, gdy różnica temperatur pomiędzy-stroną zwróconą w stronę ściany a otwartą-stroną zbiornika była większa niż 15 stopni. Po drugie, sprawdź-stronę zwróconą do ściany grzejnika pozbawionego-prądu pod kątem miejscowego odbarwienia (żółto-brązowego) lub pęcherzy. Objawy te występują po stronie ściany na długo przed tym, zanim strona otwarta wykazuje jakiekolwiek oznaki zniszczenia. W przypadku nowych instalacji należy stosować elementy dystansowe lub dystansowe, które utrzymują określony minimalny odstęp. Metal nie jest dobrym wyborem w przypadku dystansów, ponieważ może tworzyć linie zwarcia doziemnego. Najlepszym wyborem są podkładki plastikowe (PVDF lub PTFE). Pozycje dystansowe tuż na górze i na dole grzejnika - Dystanse w połowie-rozpiętości tworzą własne punkty stagnacji. Jeśli rozmiar zbiornika skutkuje niższym niż wymagane minimum, zmniejsz gęstość watów grzejnika o 25-30%, aby zrównoważyć niższą transmisję ciepła. Grzejnik o niższej gęstości watów i szczelinie 0,3D może osiągnąć tę samą temperaturę powierzchni PFA, co konwencjonalny grzejnik ze szczeliną 1,0D. Lub umieść dwa małe grzejniki zamiast jednego dużego. Odsuń je od ścian i od siebie.

WNIOSEK JEDNA ŚREDNICA TO DOBRA ZASADA
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), przerwa jest mniej istotna, ponieważ konwekcja naturalna jest słaba niezależnie od luzu, ale 0,3D jest nadal rozsądnym minimum dla luzu mechanicznego. W przypadku wrzących cieczy odstęp należy zwiększyć do 1,5D, aby umożliwić ucieczkę pęcherzyków pary bez uderzania w ścianę. Korelacja Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) może zostać wykorzystana przez inżynierów zajmujących się budową projektów zbiorników kompaktowych do obliczenia przewidywanego wzrostu temperatury w szczelinie dla g/D < 1,0. Jeśli obliczona temperatura powierzchni jest większa niż 150 stopni w przypadku pracy ciągłej lub 170 stopni w przypadku pracy przerywanej, zwiększ odstęp lub zmniejsz gęstość watów. Najbardziej typowej awarii w terenie spowodowanej niewłaściwym luzem-miejscowego przypalenia-od strony ściany po 1000–3000 godzin można w pełni uniknąć, przestrzegając zasady jednej średnicy podczas instalacji.