Miksi PFA:n tarttumaton{0}}ominaisuus joskus vähentää lämmitystehoa käytettäessä korkeaviskositeettisia materiaaleja?

Suunnitellessaan uppolämmittimiä korkean viskositeetin nesteille, kuten sulateliimoille, tiivistetyille polymeeriliuoksille, bitumille tai epoksihartseille, insinöörit määrittelevät yleensä PFA- (perfluorialkoksialkaani) -vaipat niiden lähes yleisen kemiallisen kestävyyden ja erinomaisen -tarttumattoman pinnan vuoksi. Sileän, -kitkaisen fluoripolymeeripäällysteen odotetaan poistavan saostumien-kypsennyksen, vähentävän puhdistuksen seisokkeja ja pitävän lämmityspinnan jatkuvasti puhtaana. Jatkuvien polymeerien käsittelylinjojen ja liiman säilytyssäiliöiden kenttätiedot osoittavat kuitenkin yllättävän ilmiön: erittäin tarttumaton ominaisuus, joka tekee PFA:sta halutun, voi tietyissä viskoosisissa virtausolosuhteissa vähentää dramaattisesti lämmönsiirtokykyä. Tämä tehdään kehittämällä stabiili lämpöä eristävä rajakerros, joka tarttuu heikosti lämmittimeen, mutta jota pitää sitä vasten bulkkinesteen korkea viskositeetti. Tämän vaikutuksen ymmärtämiseksi meidän on tarkasteltava nestedynamiikkaa lämmittimen-nesteen rajapinnassa eikä vain materiaaliparametreja.

Alhaisen-adheesion pinnan viskoosinen alikerroksen ilmiö
Missä tahansa pakotetussa tai luonnollisessa konvektiolämmitystilanteessa kiinteän seinän lähellä olevalla nestekerroksella on pienempi nopeus kuin massavirtauksella. Matalaviskositeettisilla nesteillä, kuten vedellä tai laimeilla hapoilla, tämä rajakerros on yleensä alle 0,5 mm paksu ja sen eristävä vaikutus on pieni verrattuna kokonaislämmönsiirtokertoimeen. Korkean -viskositeettiset aineet (tässä määritellään dynaamiseksi viskositeetiksi > 500 cP käyttölämpötilassa) toimivat täysin eri tavalla. Momenttidiffuusio on niin alhainen, että viskoosi alikerros voi olla 3–8 mm lämmittimen pinnasta, erityisesti lepotilassa olevissa säiliöissä ilman mekaanista sekoitusta.

Tämä kerros liikkuu hitaasti tavallisella metallilämmittimellä, jonka pinnan karheus on kohtalainen (Ra 0,8-1,6 µm). Lämmönvaihto tapahtuu luonnollisella konvektiolla itse kerroksen sisällä, jolloin muodostuu mikroskooppisia sekoituspyörteitä, jotka virkistävät kuuman seinän kanssa kosketuksissa olevan nesteen. Sitä vastoin PFA-pinnalla on erittäin pieni pintaenergia (normaaliarvo 18–20 mN/m) ja erittäin sileä (Ra usein<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.

Lämmönsiirtomaksun kvantifiointi: teoriasta mitattuihin tietoihin.
Lämmitystehokkuuden heikkeneminen on suora seuraus Fourierin laista, jota sovelletaan viskoosiseen alakerrokseen. Lämpövirta q ilmaistaan ​​muodossa q=h (Tpinta − Tbulk), jossa h on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin. Korkean Pr-luvun nesteillä (Pr > 100, yleinen viskooseille väliaineille) Nusselt-lukukorrelaatiolla Nu=h·L/k on merkittävä vaikutus seinän "kostuvuus"- tai adheesio-ominaisuuteen, jonka PFA tarkoituksella minimoi. Kokeelliset tiedot kontrolloidusta laboratoriokokeesta, jossa käytettiin 50 000 cP:n polybuteeninestettä 180 asteessa ja joka suoritettiin identtisellä lämmittimen geometrialla vaippamateriaalia lukuun ottamatta, osoittivat, että PFA-vaippainen lämmitin saavutti maksimipintalämpötilan 220 astetta ennen kuin saavutti lämpövuon vain 1,8 cm/karkea 2,8 a. 1,2 µm) saavutti arvon 2,9 W/cm2 alle saman pintalämpötilarajan. Toisin sanoen PFA:n tarttumaton luonne alensi tämän erityisen korkean viskositeetin nesteen hyötytehotiheyttä noin 38 %. Tämä on paljon selvempää, kun neste sisältää suspendoituneita hiukkasia tai kuituja, jotka karkealla pinnalla toimivat mikrosekoittimina, mutta PFA:lla vain liukuvat ohi häiritsemättä rajakerrosta.

Miksi "puhdas pinta" on este, kun se ei liiku
Sama tarttumaton ominaisuus, joka estää saostumien paisumisen-, estää myös vakaan, tarttuvan lämpörajakerroksen muodostumisen, joka voi ajoittain katketa ​​virtauksen vaihteluiden takia. Säiliössä, jossa on mekaaninen sekoitus tai kierrätys, tämä kustannus pienenee, koska bulkkinopeus lakaisee jatkuvasti pois kuuman rajakerroksen. Monissa korkean viskositeetin{3}}prosesseissa käytetään kuitenkin tarkoituksella kohtalaista tai ajoittaista sekoitusta, jotta vältetään nesteen ilmastaminen tai leikkausherkkien polymeerien hajoaminen. Tällaisissa tapauksissa olennaisesti liikkumaton kuuma korkeaviskositeettinen neste voi peittää PFA-vaipan ja toimia lämpöpeitteenä. Infrapunavalokuvat PFA-lämmittimestä 100 000 cP:n bitumissa 160 asteessa kahden tunnin ajan osoittivat vakaan pyöreän nesteen alueen, jonka paksuus oli noin 5 mm ja jonka lämpötila oli noin 8–12 astetta pienempi kuin vaipan pinta, kun taas bulkkilämpötila oli paljon jäljessä. Metallilämmitin, jolla oli sama geometria, mutta hieman korkeampi pintaenergia, synnytti näkyviä konvektiivisia pölyjä, jotka irtosivat pinnasta säännöllisesti, mikä johti 40 % nopeampaan bulkkilämpenemiseen.

Vertaileva valintaopas: Milloin tarttumaton PFA on (tai ei) paras viskoosiseen lämmitykseen
Päävirtausjärjestelmään, viskositeettialueeseen ja hyväksyttävään -siivousmukavuuden ja lämpötehokkuuden väliseen hyväksyttävään kompromissiin perustuva päätöskehys esitetään alla olevassa taulukossa. Ennen lopullista päättämistä vaippamateriaalista insinöörien tulee tarkistaa yksittäisen nesteensä Prandtl-luku ja odotettu rajakerroksen paksuus yksinkertaisella laboratoriolasitestillä.

Prosessiolosuhteet ja viskositeettialue Suositeltu vaippamateriaali ja pinta-ytimen perustelut lämmitystehokkuudelle
Korkeaviskositeetti (1 000{5}}100 000 cP) lepotilassa oleva säiliö ei sekoitusta pitkiä pitoaikoja Karhennettu metalli (esim. ruostumaton teräs, Incoloy) tai PFA, jossa on räätälöity mikro-rakenneMetallin pinta aiheuttaa mikro-konvektiivisen P-konvektiivisen häiriön viskoosissa alikerroksessa FA5 ja tehostaa 0 %:lla viskoosia alakerrosta. Hyväksy säännöllinen siivous keitetyille talletuksille. *
Korkea viskositeetti, jatkuva kierrätys (Re > 2300 lämmityspiirissä) Normaali sileä PFA Bulkkivirtaus pyyhkäisee rajakerroksen jatkuvasti. Tarttumaton etu estää talletuksen-kertymisen. Pieni (<10%) heating efficiency penalty compared to metal.
Keskiviskositeetti (100-1000 cP), hellävarainen sekoitus tai satunnainen sekoittaminen PFA pintakuvioitulla tai kierteisillä uriilla Suunniteltu rakenne rikkoo rajakerroksen, mutta silti mahdollistaa useimpien nesteiden tarttumattoman purkautumisen. Paras kompromissi lämmönsiirrolle ja puhtaudelle.

Polymeerisula (leikkausherkkä) (esim. PVC-plastisoli, PU-esipolymeeri) Pidä tarttumattomana, vältä hajoavia tuotteita. Ylisuuri lämmitin kompensoi 30-40 % lämmönsiirtorakoa