Kakšna je varna razdalja med potopnim grelnikom PFA in steno rezervoarja za preprečevanje razgradnje polimera?

Če so potopni grelniki PFA preblizu stene rezervoarja, se med grelnikom in steno rezervoarja razvije lokalno območje stoječe ali počasi tekoče tekočine. Tipičen konvekcijski tok, ki prenaša toploto stran od plašča PFA, je v tem omejenem prostoru omejen. Tekočina v reži se počasi segreva, njena gostota se zmanjša in ostane ujeta pod toplejšo tekočino zgoraj. Ta pojav imenujemo stagnacija tekočine ali kanaliziranje, lokalni koeficient toplotne prehodnosti pa je 50-80% nižji od tistega pri neoviranem grelniku. Površinska temperatura plašča iz PFA proti steni je za 15-40 stopinj višja kot na strani proti odprtemu rezervoarju. To pospeši propadanje polimera, spodbuja nastajanje mehurjev in skrajša življenjsko dobo grelnika. Varno razdaljo je mogoče oceniti z uravnoteženjem učinkovitosti prostora rezervoarja in potrebe po pravilnem kroženju tekočine po celotnem obodu grelnika.

Dinamika tekočin v vrzeli med-grelcem in-steno
Pri navpičnem cilindričnem grelniku, nameščenem vzporedno z ravno steno rezervoarja, je širina reže (g) razdalja med zunanjo površino grelnika in steno. Naravna konvekcija v reži ima več režimov glede na brezdimenzionalno Rayleighovo število. Ko je g večji od 3–4 D, reža deluje kot odprt kanal, koeficient prenosa toplote pa je enak kot pri prosto-stoječem grelniku. Ko je g manjši od 1,5 D, dvigajoči se oblak tekočine iz grelnika moti stensko mejno plast. Ogreta tekočina teče navzgor v majhni reži in tvori curek z visoko-hitrostjo, ki vleče hladnejšo tekočino od spodaj. Pravzaprav ta curek izboljša prenos toplote za reže od 0,5D do 1,0D. Nevarni režim je pri vrzelih med 0,1D in 0,4D. Pri tako majhnih razdaljah stena omejuje rast curka navzgor. Ujemanje tekočine povzroči zmanjšanje lokalnega Nusseltovega števila (brezdimenzijski koeficient prenosa toplote) na 30–50 % vrednosti prostega toka.

Za standardni grelnik PFA s premerom 25 mm (D=25 mm) je mejna vrednost varne razdalje približno 1,0 D=25 mm od stene rezervoarja. Režim stagnacije se začne pri 10 mm (0,4D). V vodi pri 90 stopinjah s 5 mm razmikom eksperimentalni podatki kažejo, da se koeficient prenosa toplote na strani, obrnjeni proti steni, zmanjša z 800 W/m2K (prosti tok) na 250–350 W/m2K. Pri grelniku, ki deluje pri 5 W/cm2, to zmanjšanje poviša površinsko temperaturo PFA na 135–145 stopinj na ste-obrnjeni strani s 105 stopinj, kar je dvig za 30–40 stopinj. Stopnja prodiranja vode in kislin skozi PFA pri 145 stopinjah je dvakrat višja kot pri 105 stopinjah, natezna trdnost polimera pa se zmanjša za 15-20%. Ta vroča točka je lokalizirana in povzroča prezgodnje mehurje ali razpoke na strani, obrnjeni proti steni, odprta stran pa ni poškodovana. Več kot 5000 ur delovanja.

Materialna in temperaturna odvisnost minimalne razdalje
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), ker je povišanje temperature v reži večje. V takih okoliščinah je treba najmanjšo varno režo povečati na 1,5 D. Za nizek toplotni 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 (>1000 cP) imajo šibko naravno konvekcijo. Kazen stagnacije v majhnih režah je manjša, saj je koeficient toplotnega prenosa prostega toka že nizek (100–200 W/m²·K). Problem olj ni toliko lokalno pregrevanje kot zmanjšanje prenosa toplote na splošno. Najhujša kazen stagnacije in največje zahteve glede varnostne razdalje se pojavljajo pri vodi in razredčenih kislinah (nizka viskoznost, visoka toplotna difuzivnost).

Material stene rezervoarja je pomemben, saj določa robno stanje. Kovinska stena rezervoarja (visoka toplotna prevodnost) lahko odvaja toploto stran od reže, kar delno zmanjša stagnacijo. Kovinska stena je hladilno telo, ki ohranja tekočino v reži hladnejšo kot v plastičnem ali prevlečenem rezervoarju. Pri rezervoarjih iz nerjavečega jekla se lahko varna najmanjša vrzel zmanjša za 20 do 30 odstotkov v primerjavi s rezervoarji iz polipropilena ali FRP. Če pa se plašč PFA dotakne stene, obstaja možnost ozemljitvenega stika s kovinskim rezervoarjem. Za napetosti do 480 V mora obstajati minimalna električna razdalja 12 mm, ne glede na toplotne vidike.

Vodnik za minimalno varno razdaljo glede na parametre aplikacije
Premer grelnika (D) Uporabljeni toplotni tok Vrsta tekočine (viskoznost) Material sten rezervoarja Najmanjša priporočena vrzel Učinek 50-odstotnega zmanjšanja vrzeli
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 Katera koli tekočina z nizko{2}}viskoznostjo Katera koli 1,5D (38-40 mm) vrzel<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (velik-premer grelnika) 3–6 W/cm² Voda, razredčena kislina Plastika 1.0D (30–40 mm) večji D potrebuje ustrezno večjo režo
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1000 cP) Katera koli 0,3D (najmanj 10 mm) Kazen stagnacije skromna; viskoznost olja tako ali tako omejuje konvekcijo
Poljubni premer Poljubna vrela tekočina Poljubna 1,5 D min. Parni mehurčki potrebujejo prostor za izhod iz vrzeli<1.0D produces vapour blanketing
Majhen rezervoar (širok<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Praktično preverjanje namestitve
Dva terenska preizkusa sta pokazala, da obstoječe instalacije nimajo dovolj prostora, kjer razdalje ni mogoče neposredno izmeriti (grelniki skriti z nosilci ali prirobnicami). Najprej izmerite površinsko temperaturo PFA na strani, obrnjeni proti steni, z infrardečim termometrom skozi vidno odprtino ali med praznjenjem rezervoarja. Stagnacija je bila prepoznana, ko je bila temperaturna razlika med stranjo, obrnjeno-na steno, in stranjo odprtega-zalogovnika večja od 15 stopinj. Drugič, preverite stran grelnika, ki je-obrnjena proti steni,-da ni pod napetostjo. Ti simptomi so na strani stene veliko preden se na odprti strani pokažejo znaki poslabšanja. Pri novih instalacijah uporabite distančnike ali stojala, ki ohranjajo določen minimalni razmik. Kovina ni dobra izbira za odmike, saj lahko tvori zemeljske prelomnice. Najboljša izbira so plastični (PVDF ali PTFE) stojala. Postavite odmike tik na vrh in dno grelnika - sredi-odmiki proizvajajo lastne točke stagnacije. Če velikost rezervoarja povzroči nižji minimum od zahtevanega, zmanjšajte vatno gostoto grelnika za 25-30 %, da izravnate nižji prenos toplote. Grelec z nižjo gostoto vatov in režo 0,3D lahko doseže enako površinsko temperaturo PFA kot običajen grelnik z režo 1,0D. Ali pa namesto enega velikega grelnika postavite dva majhna grelnika. Odmaknite jih od sten in drug od drugega.

ZAKLJUČEK EN PREMER JE DOBRO PRAVILO
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), je reža manj pomembna, saj je naravna konvekcija šibka ne glede na razdaljo, vendar je 0,3 D še vedno razumen minimum za mehansko razdaljo. Pri vrelih tekočinah je treba razmik povečati na 1,5 D, da se omogoči uhajanje mehurčkov hlapov, ne da bi pri tem udarili ob steno. Korelacijo Nu vrzel/Nu brez=1-exp(-1,2 g/D) lahko uporabijo inženirji, ki sodelujejo pri izdelavi kompaktnih zasnov rezervoarjev za izračun predvidenega dviga temperature v reži za g/D < 1,0. Če je izračunana površinska temperatura večja od 150 stopinj za neprekinjeno ali 170 stopinj za občasno delovanje, bodisi povečajte vrzel ali zmanjšajte gostoto v vatih. Najbolj značilni okvari na terenu zaradi nepravilnega odmika-lokalne ožige na steni-obrnjeni strani po 1.000–3.000 urah se popolnoma izognete z upoštevanjem pravila enega premera med namestitvijo.