Aká je bezpečná vzdialenosť medzi ponorným ohrievačom PFA a stenou nádrže, aby sa zabránilo degradácii polyméru?

Ak sú ponorné ohrievače PFA príliš blízko steny nádrže, medzi ohrievačom a stenou nádrže sa vytvorí miestna oblasť stagnácie alebo pomaly tečúcej tekutiny. Typický konvekčný tok prenášajúci teplo preč z PFA puzdra je v tomto obmedzenom priestore obmedzený. Kvapalina v medzere sa pomaly zahrieva, jej hustota klesá a zachytáva sa pod teplejšou tekutinou nad ňou. Tento jav sa nazýva stagnácia tekutiny alebo channeling a lokálny koeficient prestupu tepla je o 50 – 80 % nižší ako v prípade ohrievača bez prekážok. Povrchová teplota plášťa PFA smerom k stene je o 15-40 stupňov vyššia ako strana smerom k otvorenej nádrži. To urýchľuje degradáciu polyméru, podporuje tvorbu pľuzgierov a znižuje životnosť ohrievača. Bezpečnú vzdialenosť je možné vyhodnotiť vyvážením účinnosti priestoru nádrže a potreby správnej cirkulácie tekutiny po celom obvode ohrievača.

Dynamika tekutín v ohrievači-k-medzere v stene
V prípade vertikálneho valcového ohrievača namontovaného rovnobežne s plochou stenou nádrže je šírka medzery (g) vzdialenosť medzi vonkajším povrchom ohrievača a stenou. Prirodzená konvekcia v medzere má viacero režimov podľa bezrozmerného Rayleighovho čísla. Keď je g väčšie ako 3–4 D, medzera funguje ako otvorený kanál a koeficient prestupu tepla je rovnaký ako u voľne stojaceho ohrievača. Keď je g menšie ako 1,5 D, stúpajúci oblak tekutiny z ohrievača narúša hraničnú vrstvu steny. Ohriata tekutina prúdi nahor v malej medzere a vytvára vysokorýchlostný prúd, ktorý zospodu unáša chladnejšiu tekutinu. V skutočnosti tento prúd zvyšuje prenos tepla pre medzery 0,5 D až 1,0 D. Nebezpečný režim je v medzerách medzi 0,1D a 0,4D. Pri takýchto malých vôľach stena obmedzuje rast stúpajúceho prúdu. Zachytávanie tekutín spôsobuje zníženie miestneho Nusseltovho čísla (bezrozmerný koeficient prestupu tepla) na 30–50 % hodnoty voľného prúdu.

Pre štandardný ohrievač PFA s priemerom 25 mm (D=25 mm) je prah bezpečnej vzdialenosti približne 1,0 D=25 mm od steny nádrže. Stagnačný režim začína na 10 mm (0,4D). Vo vode pri 90 stupňoch s 5 mm medzerou experimentálne údaje ukazujú, že koeficient prestupu tepla na strane privrátenej k stene sa má znížiť z 800 W/m2K (freestream) na 250–350 W/m2K. V prípade ohrievača s výkonom 5 W/cm2 toto zníženie zvýši povrchovú teplotu PFA na 135 – 145 stupňov na{20}}stene zo 105 stupňov, čo je nárast o 30 – 40 stupňov. Rýchlosť prieniku vody a kyselín cez PFA pri 145 stupňoch je dvakrát vyššia ako pri 105 stupňoch a pevnosť v ťahu polyméru klesá o 15-20 %. Toto horúce miesto je lokalizované a spôsobuje predčasné pľuzgiere alebo praskliny na strane otočenej k stene, otvorená strana je nepoškodená. Viac ako 5000 hodín prevádzky.

Materiálová a teplotná závislosť minimálnej vzdialenosti
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), pretože nárast teploty v medzere je vyšší. Keď nastanú takéto okolnosti, minimálna bezpečná medzera by sa mala zvýšiť na 1,5 D. Pre nízky tepelný tok (<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) majú slabú prirodzenú konvekciu. Postih za stagnáciu v malých medzerách je menej závažný, pretože koeficient prestupu tepla voľným prúdom je už nízky (100–200 W/m²·K). Problémom olejov nie je ani tak lokálne prehrievanie, ako skôr zníženie prenosu tepla všeobecne. Najzávažnejší trest za stagnáciu a najväčšie požiadavky na bezpečnú vzdialenosť sa vyskytujú vo vode a zriedených kyselinách (nízka viskozita, vysoká tepelná difúznosť).

Materiál steny nádrže je dôležitý, pretože určuje okrajovú podmienku. Kovová stena nádrže (vysoká tepelná vodivosť) môže prenášať teplo z medzery, čím sa čiastočne znižuje stagnácia. Kovová stena je chladič, ktorý udržuje kvapalinu v medzere chladnejšiu ako v plastovej alebo potiahnutej nádrži. V prípade nádrží z nehrdzavejúcej ocele môže byť bezpečná minimálna medzera znížená o 20 až 30 percent v porovnaní s nádržami z polypropylénu alebo FRP. Ak sa však plášť PFA dotkne steny, existuje možnosť zemného spojenia s kovovou nádržou. Pre napätie do 480 V by mala byť minimálna elektrická vzdialenosť 12 mm, bez ohľadu na tepelné aspekty.

Sprievodca minimálnou bezpečnou vzdialenosťou podľa parametrov aplikácie
Priemer ohrievača (D) Typ použitého tepelného toku kvapaliny (viskozita) Materiál steny nádrže Minimálny odporúčaný efekt medzery 50 % redukcie medzery
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 Akákoľvek kvapalina s nízkou{2}}viskózou Akákoľvek 1,5D (38-40 mm) medzera<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (ohrievač s veľkým-priemerom) 3–6 W/cm² Voda, zriedená kyselina Plast 1,0D (30–40 mm) väčší D potrebuje zodpovedajúcim spôsobom väčšiu medzeru
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1 000 cP) Akýkoľvek 0,3D (min 10 mm) Pokuta za stagnáciu mierna; viskozita oleja v každom prípade obmedzuje konvekciu
Akýkoľvek priemer Akýkoľvek Vriaca kvapalina Akékoľvek 1,5D min Bubliny pár potrebujú priestor na únik Medzera<1.0D produces vapour blanketing
Malá nádrž (široká<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Praktické overenie inštalácie
Dva testy v teréne ukazujú, že existujúce inštalácie nemajú dostatočný priestor tam, kde sa vzdialenosť nedá merať priamo (ohrievače ukryté konzolami alebo prírubami). Najprv zmerajte povrchovú teplotu PFA na strane privrátenej k stene pomocou infračerveného teplomera cez priezor alebo počas vypúšťania nádrže. Stagnácia bola rozpoznaná, keď teplotný rozdiel medzi stenou-čelnou stenou a otvorenou{3}}stranou nádrže bol väčší ako 15 stupňov . Po druhé, skontrolujte, či na stene-strany ohrievača bez napätia{7}} nie sú lokálne zmeny farby (žltá{8}}hnedá) alebo pľuzgiere. Tieto príznaky sú na strane steny dlho predtým, ako otvorená strana vykazuje akékoľvek známky poškodenia. Pri nových inštaláciách použite dištančné vložky alebo dištančné prvky, ktoré zachovávajú definovaný minimálny rozstup. Kov nie je dobrou voľbou pre odstupy, pretože môže vytvárať zemné zlomové línie. Plastové (PVDF alebo PTFE) dištančné stĺpiky sú najlepšou voľbou. Dištančné medzery umiestnite na vrch a spodok ohrievača - v strede-rozpätia a vytvárajú svoje vlastné stagnačné body. Ak je veľkosť nádrže nižšia ako požadované minimum, znížte wattovú hustotu ohrievača o 25-30%, aby ste kompenzovali nižší prenos tepla. Ohrievač s nižšou hustotou wattov a medzerou 0,3D môže dosiahnuť rovnakú povrchovú teplotu PFA ako bežný ohrievač s medzerou 1,0D. Alebo dajte dva maličké ohrievače namiesto jedného obrovského ohrievača. Oddeľte ich od stien a od seba.

ZÁVER JEDEN PRIEMER JE DOBRÉ PRAVIDLO
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), medzera je menej dôležitá, pretože prirodzená konvekcia je slabá bez ohľadu na vôľu, ale 0,3D je stále rozumné minimum pre mechanickú vôľu. V prípade vriacich kvapalín by sa mala vzdialenosť zväčšiť na 1,5 D, aby bubliny pary mohli uniknúť bez toho, aby narazili na stenu. Koreláciu Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) môžu použiť inžinieri zapojení do konštrukcií kompaktných nádrží na výpočet predpokladaného nárastu teploty v medzere pre g/D < 1,0. Ak je vypočítaná povrchová teplota vyššia ako 150 stupňov pre nepretržitú prevádzku alebo 170 stupňov pre prerušovanú prevádzku, zväčšite medzeru alebo znížte hustotu wattov. Najtypickejšiemu zlyhaniu poľa v dôsledku nesprávneho odstránenia-lokalizovaného pripálenia na strane steny-po 1 000 až 3 000 hodinách sa úplne vyhne dodržiavaním pravidla jedného priemeru počas inštalácie.