Khoảng cách an toàn giữa thiết bị gia nhiệt ngâm PFA và thành bể để ngăn chặn sự phân hủy polyme là bao nhiêu?

Nếu bộ sưởi ngâm PFA quá gần thành bể, một khu vực cục bộ chất lỏng ứ đọng hoặc chảy chậm sẽ phát triển giữa bộ sưởi và thành bể. Dòng đối lưu điển hình vận chuyển nhiệt ra khỏi vỏ PFA bị hạn chế trong không gian hạn chế này. Chất lỏng trong khe nóng lên từ từ, mật độ của nó giảm đi và nó bị mắc kẹt bên dưới chất lỏng ấm hơn ở trên. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng ứ đọng hoặc phân kênh chất lỏng và hệ số truyền nhiệt cục bộ thấp hơn 50-80% so với hệ số truyền nhiệt không bị cản trở. Nhiệt độ bề mặt của vỏ PFA hướng về phía tường cao hơn 15-40 độ so với phía hướng về bể hở. Điều này làm tăng tốc độ hư hỏng của polyme, thúc đẩy hiện tượng phồng rộp và giảm tuổi thọ của lò sưởi. Khoảng cách an toàn có thể được đánh giá bằng cách cân bằng giữa hiệu quả của không gian bể và nhu cầu lưu thông chất lỏng thích hợp trên toàn bộ chu vi của bộ sưởi.

Động lực học chất lỏng trong bộ sưởi-đến-Khoảng trống trên tường
Đối với thiết bị sưởi hình trụ thẳng đứng được lắp song song với thành bể phẳng, chiều rộng khe hở (g) là khoảng cách giữa bề mặt bên ngoài của thiết bị sưởi và thành. Đối lưu tự nhiên trong khe hở có nhiều chế độ theo số Rayleigh không thứ nguyên. Khi g lớn hơn 3–4 D, khe hở hoạt động giống như một kênh mở và hệ số truyền nhiệt giống như hệ số truyền nhiệt của lò sưởi-đứng tự do. Khi g nhỏ hơn 1,5D, dòng chất lỏng dâng lên từ lò sưởi sẽ làm xáo trộn lớp ranh giới của tường. Chất lỏng được làm nóng chảy lên trong khe hở nhỏ, tạo thành một tia-có vận tốc cao cuốn theo chất lỏng mát hơn từ bên dưới. Trên thực tế, dòng phản lực này giúp tăng cường khả năng truyền nhiệt cho các khe hở từ 0,5D đến 1,0D. Chế độ nguy hiểm nằm ở khoảng cách giữa 0,1D và 0,4D. Ở những khoảng trống nhỏ như vậy, bức tường hạn chế sự phát triển của dòng tia đi lên. Bẫy chất lỏng làm giảm số Nusselt cục bộ (hệ số truyền nhiệt không thứ nguyên) xuống 30–50% giá trị dòng tự do.

Đối với bộ gia nhiệt PFA đường kính 25 mm tiêu chuẩn (D=25 mm), ngưỡng khoảng cách an toàn là khoảng 1,0D=25 mm tính từ thành bể. Chế độ trì trệ bắt đầu ở mức 10 mm (0,4D). Trong nước ở góc 90 độ với khoảng cách 5 mm, dữ liệu thực nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt ở mặt đối diện với tường giảm từ 800 W/m2K (dòng tự do) xuống 250–350 W/m2K. Đối với máy sưởi hoạt động ở công suất 5 W/cm2, mức giảm này sẽ nâng nhiệt độ bề mặt PFA lên 135–145 độ trên mặt{20}}tường đối diện từ 105 độ, tăng 30–40 độ. Tốc độ thẩm thấu của nước và axit qua PFA ở 145 độ cao gấp đôi ở 105 độ và độ bền kéo của polyme giảm 15-20%. Điểm nóng này cục bộ và gây ra hiện tượng phồng rộp hoặc nứt sớm ở mặt tường, mặt hở không bị tổn thương. Hơn 5.000 giờ hoạt động.

Sự phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ của khoảng cách tối thiểu
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) vì nhiệt độ ở khe hở tăng cao hơn. Khi những trường hợp như vậy xảy ra, khoảng cách an toàn tối thiểu phải được tăng lên 1,5 D. Đối với dòng nhiệt thấp (<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) có đối lưu tự nhiên yếu. Mức độ ứ đọng ở những khoảng trống nhỏ ít nghiêm trọng hơn do hệ số truyền nhiệt tự do vốn đã thấp (100–200 W/m2·K). Vấn đề với dầu không phải là quá nóng cục bộ mà là sự giảm truyền nhiệt nói chung. Hình phạt ứ đọng nghiêm trọng nhất và yêu cầu khoảng cách an toàn lớn nhất xảy ra trong nước và axit loãng (độ nhớt thấp, độ khuếch tán nhiệt cao).

Vật liệu làm thành bể rất quan trọng vì nó xác định điều kiện biên. Thành bể bằng kim loại (dẫn nhiệt cao) có thể truyền nhiệt ra khỏi khe hở, giảm một phần tình trạng ứ đọng. Thành kim loại là một bộ tản nhiệt, giữ cho chất lỏng trong khe mát hơn so với thùng nhựa hoặc thùng tráng. Đối với bể chứa bằng thép không gỉ, khoảng cách an toàn tối thiểu có thể giảm từ 20 đến 30% so với bể chứa bằng polypropylene hoặc FRP. Tuy nhiên, nếu vỏ bọc PFA chạm vào tường thì có khả năng xảy ra lỗi chạm đất với bể kim loại. Đối với điện áp lên đến 480 V, phải có khoảng cách điện tối thiểu là 12 mm, bất kể các cân nhắc về nhiệt.

Hướng dẫn về khoảng cách an toàn tối thiểu theo thông số ứng dụng
Đường kính bộ gia nhiệt (D) Loại chất lỏng thông lượng nhiệt ứng dụng (Độ nhớt) Vật liệu thành bể Khoảng cách khuyến nghị tối thiểu Hiệu quả giảm 50% khoảng cách
20-25mm<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 Bất kỳ chất lỏng có độ nhớt-thấp Bất kỳ Khoảng cách 1,5D (38-40 mm) nào<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (bộ gia nhiệt có đường kính-lớn) 3–6 W/cm² Nước, axit loãng Nhựa 1,0D (30–40 mm) lớn hơn D cần khoảng cách lớn hơn tương ứng
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1.000 cP) Bất kỳ mức phạt trì trệ 0,3D (tối thiểu 10 mm) ở mức khiêm tốn; độ nhớt của dầu dù sao cũng hạn chế sự đối lưu
Đường kính bất kỳ Bất kỳ chất lỏng sôi nào Bất kỳ 1,5D phút nào Bong bóng hơi cần không gian để thoát ra Khe hở<1.0D produces vapour blanketing
Bể nhỏ (rộng<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Xác minh thực tế việc lắp đặt
Hai thử nghiệm hiện trường cho thấy các hệ thống lắp đặt hiện tại không có đủ không gian để không thể đo trực tiếp khoảng cách (máy sưởi được che giấu bằng giá đỡ hoặc mặt bích). Đầu tiên, đo nhiệt độ bề mặt PFA ở mặt đối diện với tường bằng nhiệt kế hồng ngoại thông qua cổng quan sát hoặc trong quá trình xả nước của bể. Sự trì trệ được nhận biết khi chênh lệch nhiệt độ giữa mặt-tường đối diện và mặt bể-mở lớn hơn 15 độ . Thứ hai, kiểm tra bức tường-mặt đối diện của lò sưởi đã ngắt-được cấp điện xem có bị biến màu cục bộ (màu vàng-nâu) hoặc phồng rộp hay không. Những triệu chứng này tồn tại ở mặt tường rất lâu trước khi mặt hở có dấu hiệu xuống cấp. Đối với các cài đặt mới, hãy sử dụng các miếng đệm hoặc giá đỡ để duy trì khoảng cách tối thiểu được xác định. Kim loại không phải là lựa chọn tốt cho tình huống bế tắc vì nó có thể tạo thành các đường đứt gãy trên mặt đất. Bế tắc bằng nhựa (PVDF hoặc PTFE) là sự lựa chọn tốt nhất. Vị trí các điểm dừng ngay ở trên cùng và dưới cùng của bộ sưởi - giữa-các điểm dừng tạo ra các điểm trì trệ của riêng chúng. Nếu kích thước bể dẫn đến mức tối thiểu thấp hơn yêu cầu, hãy giảm mật độ watt của lò sưởi xuống 25-30% để bù lại lượng truyền nhiệt thấp hơn. Một lò sưởi có mật độ watt thấp hơn và khoảng cách 0,3D có thể đạt được nhiệt độ bề mặt PFA tương tự như một lò sưởi thông thường có khoảng cách 1,0D. Hoặc đặt hai lò sưởi nhỏ thay vì một lò sưởi lớn. Đặt chúng cách xa các bức tường và cách xa nhau.

KẾT LUẬN MỘT ĐƯỜNG KÍNH LÀ QUY TẮC TỐT
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), khe hở ít quan trọng hơn do đối lưu tự nhiên yếu bất kể khe hở nhưng 0,3D vẫn là mức tối thiểu hợp lý cho khe hở cơ học. Đối với chất lỏng sôi, khoảng cách nên tăng lên 1,5D để bọt khí thoát ra ngoài mà không va vào tường. Mối tương quan Nu khoảng cách/Nu tự do=1-exp(-1,2 g/D) có thể được sử dụng bởi các kỹ sư tham gia xây dựng các thiết kế bể nhỏ gọn để tính toán mức tăng nhiệt độ dự kiến ​​trong khoảng trống cho g/D < 1,0. Nếu nhiệt độ bề mặt được tính toán lớn hơn 150 độ đối với hoạt động liên tục hoặc 170 độ đối với hoạt động không liên tục, hãy tăng khoảng cách hoặc giảm mật độ watt. Lỗi trường điển hình nhất do khoảng trống không phù hợp-cháy sém cục bộ trên tường-sau 1.000-3.000 giờ có thể tránh được hoàn toàn bằng cách tôn trọng quy tắc một đường kính trong khi lắp đặt.