Dlaczego grzejnik PFA o chropowatej, piaskowanej powierzchni radzi sobie lepiej z gładką powierzchnią podczas ogrzewania-organicznym rozpuszczalnikiem pod wysokim ciśnieniem?

Jeśli chodzi o stabilność filmu i przenikanie ciepła wrzenia zarodków, szorstka powierzchnia PFA (Ra 1,0–1,5 µm) często sprawdza się lepiej niż gładka powierzchnia (Ra < 0,2 µm) przy ogrzewaniu rozpuszczalnikiem organicznym pod wysokim-ciśnieniem (np. toluenem, acetonem, heksanem pod ciśnieniem 5–20 barów, 100–200 stopni). Mechanizmem jest kontrola zarodkowania pęcherzyków; przegrzanie i nagłe, szybkie wrzenie (uderzenia) wynikają z gładkich powierzchni, które zapobiegają tworzeniu się pęcherzyków. Wyższym współczynnikom przenikania ciepła i stałemu-wrzenia pęcherzykowemu sprzyja chropowata powierzchnia, która zapewnia kontrolowane miejsca zarodkowania. Dodatkowo, ponieważ szorstka powierzchnia wewnętrzna (jeśli została piaskowana przed wytłaczaniem) poprawia mechaniczne połączenie PFA z metalowym rdzeniem, szorstka powierzchnia jest odporna na rozwarstwianie wywołane przez rozpuszczalnik-pęcznieniem. Chropowata powierzchnia zwiększa zwilżalność i zmniejsza ryzyko wrzenia filmu w przypadku rozpuszczalników organicznych, które słabo zwilżają PFA (kąt zwilżania > 90 stopni). Aby uzyskać optymalne rezultaty, powierzchnię wewnętrzną należy wytrawić chemicznie w celu zapewnienia przyczepności, a powierzchnię zewnętrzną należy wypiaskować (Ra 1,0–1,5 µm).

Wrzenie jąder i chropowatość powierzchni
Strumień ciepła w rozpuszczalnikach organicznych ogrzewanych pod ciśnieniem jest często wystarczająco duży, aby wywołać wrzenie na powierzchni PFA. Zarodkowanie pęcherzyków na gładkiej powierzchni wymaga dużej ilości przegrzania (ΔT=10–30 stopni powyżej temperatury wrzenia). Lokalny wzrost temperatury wynika z pęcherzyków, które stają się ogromne i powoli się rozdzielają. Mikro-wgłębienia (5–20 µm) na chropowatej powierzchni służą jako trwałe miejsca zarodkowania, zatrzymując parę. Przenikanie ciepła poprawiają pęcherzyki, które tworzą się przy niższym przegrzaniu (2–5 stopni), są mniejsze i częściej się rozdzielają. Przy tym samym przepływie ciepła szorstka powierzchnia może mieć o 50–100% większy współczynnik przenikania ciepła (h).

Gładki PFA (Ra 0,1 µm) wykazuje wrzenie filmu przy 8 W/cm² przy ΔT=40 stopnia dla toluenu w temperaturze 150 stopni i 10 barach. W stopniu ΔT=15 szorstki PFA (Ra 1,2 µm) wytrzymuje wrzenie jąder do 15 W/cm².

Porównanie wydajności rozpuszczalników organicznych pod wysokim ciśnieniem
Rozpuszczalnik Ciśnienie (bar) Temperatura (stopnie) Wykończenie powierzchni Krytyczny strumień ciepła (W/cm²) Współczynnik przenikania ciepła (W/m²·K) Reżim wrzenia Trwałość względna
Toluene 10 150 Smooth (0.1) 6–8 1,500–2,000 Film boiling at >6 1.0x toluen 10 150 szorstki (1,2) 12–15 3 000–4 000 Zarodkowanie do 12 2.5x
Aceton 8 120 Gładki 5–7 1,800–2,500 Uderzenie 1,0x
Aceton 8 120 Szorstki 10–12 3,500–5 000 Stabilne pęcherzyki 2,8x Heksan 5 100 Gładki 4–6 1,200–1800 Gwałtowne wrzenie 0,8x
Heksan 5 100 Szorstki 8–10 2,500–3500 Kontrolowany 2,2x Etanol 12 180 Gładki 7–9 2,000–2500 Przegrzanie 1,2x
Etanol 12 180 Szorstki 14–16 4,000–5,500 Stabilny 2,5x
Mechaniczna blokada zapewniająca przyczepność
Wewnętrzna powierzchnia osłony PFA (w stosunku do metalowego rdzenia) również zyskuje na szorstkości. Piaskowanie metalowego rdzenia do Ra 2–4 ​​µm przed wytłaczaniem PFA powoduje powstanie mechanicznego zazębienia. PFA zakotwicza się, wpływając na nierówności powierzchni. Płyn może nieznacznie rozszerzać PFA (wzrost objętości o 0,5–2%) w-wysokociśnieniowych rozpuszczalnikach organicznych. Pod wpływem naprężenia pęczniejącego gładka powierzchnia styku (Ra < 0,5 µm) może ulec rozwarstwieniu. Ponieważ PFA jest zamknięty we wgłębieniach, przyczepność utrzymuje się na szorstkiej powierzchni styku (Ra > 2 µm). Jest to niezbędne, aby zapewnić długoterminową{{13}niezawodność.

Aby uzyskać najlepsze efekty należy wskazać:

Piaskowane do Ra 1,0–1,5 µm na zewnątrz (w celu zarodkowania pęcherzyków)

Piaskowane do Ra 2,5–4,0 µm (dla przyczepności) na powierzchni wewnętrznej (rdzeń metalowy)

Powierzchnia rdzenia metalowego: trawiona chemicznie po piaskowaniu w celu usunięcia luźnych cząstek i utworzenia nano-porowatości

Kiedy gładka powierzchnia jest lepsza
Gładkie powierzchnie PFA są nadal wybierane do:

Niewrzące, jednofazowe-ogrzewanie: brak pęcherzyków, dlatego szorstkość jedynie sprzyja zabrudzeniu.

High-purity service: Rough surfaces collect impurities and are harder to clean.

Płyny krystalizujące lub tworzące kamień: Kamień łatwo przylega do chropowatych powierzchni.

Usługa niskiego-ciśnienia (<2 bar) where boiling is not a problem.

Przykład w terenie
W reaktorze farmaceutycznym zastosowano gładki grzejnik PFA do ogrzania toluenu w temperaturze 150 stopni i pod ciśnieniem 10 barów. Po sześciu miesiącach w grzejniku wystąpiły znaczne uderzenia i nagłe wyrzuty pary, co spowodowało wahania temperatury o ±15 stopni i pękanie PFA. W instalacji zainstalowano szorstki grzejnik PFA (zewnętrzny Ra 1,3 µm, rdzeń Ra 3 µm). Grzejnik działał ponad trzy lata, stukanie zniknęło, a regulacja temperatury poprawiła się w zakresie ±2 stopni. Koszt grzejnika wzrósł o 100 dolarów ze względu na piaskowanie (dopłata 15%). Został on opłacony w ciągu dwóch miesięcy dzięki oszczędnościom wynikającym ze skrócenia przestojów.

Badanie i konserwacja
W przypadku uszkodzonych grzejników w trakcie eksploatacji należy sprawdzić:

Zanieczyszczenie: Osady gromadzą się na szorstkich powierzchniach. Do czyszczenia użyj delikatnej szczoteczki i lekkiego rozpuszczalnika; unikaj stosowania środków ściernych, które mogłyby wygładzić powierzchnię.

Zużycie powierzchni: Erozja może wygładzić szczyty w ciągu trzech do pięciu lat. Jeśli Ra spadnie poniżej 0,8 µm,-wypiaskuj ponownie lub wymień.

Test przyczepności: Okresowo oceniaj rezystancję izolacji. Rozwarstwienie na szorstkiej powierzchni styku jest oznaczone kroplą, co jest rzadkością.

Podsumowując, szorstka powierzchnia poprawia przyczepność i gotowanie.
W przypadku ogrzewania-organicznym rozpuszczalnikiem pod wysokim ciśnieniem (5–20 barów, 100–200 stopni) grzejnik PFA ze chropowatą powierzchnią do piaskowania (Ra 1,0–1,5 µm) jest 2–3 razy lepszy od gładkiej powierzchni pod względem stabilnego wrzenia zarodków krystalicznych, wyższego krytycznego strumienia ciepła i odporności na uderzenia. Chropowata powierzchnia zewnętrzna zapewnia regulowane miejsca zarodkowania pęcherzyków; szorstka powierzchnia wewnętrzna ułatwia przyleganie i zapobiega pęcznieniu wywołanemu-rozpuszczalnikiem. Określ piaskowany PFA dla każdego procesu z użyciem rozpuszczalników organicznych, w którym występuje wrzenie. W przypadku produktów nie-wrzących, pod niskim-ciśnieniem lub o wysokiej-czystości, najlepszy pozostaje gładki. Dopasuj powierzchnię do zadania. Do wrzenia potrzebne są guzki. Piasek jest niezbędny na nierówności. Przeszlifuj powierzchnię, gotuj równomiernie i wytrzymuj przez długi czas. Szorstki jest mocny w substancjach organicznych. Gładka jest śliska - i wpada w filmowy wrz. Wybierz szorstki.