Qual è la distanza di sicurezza tra un riscaldatore a immersione in PFA e la parete del serbatoio per prevenire la degradazione dei polimeri?

Se i riscaldatori a immersione in PFA sono troppo vicini alla parete del serbatoio, si svilupperà un'area locale di fluido stagnante o a flusso lento tra il riscaldatore e la parete del serbatoio. Il tipico flusso di convezione che trasporta il calore lontano dalla guaina in PFA è limitato in questo spazio ristretto. Il fluido nell'intercapedine si riscalda lentamente, la sua densità diminuisce e rimane intrappolato sotto il fluido più caldo sovrastante. Questo fenomeno è chiamato ristagno o canalizzazione del fluido e il coefficiente di trasferimento del calore locale è inferiore del 50-80% rispetto a quello di un riscaldatore senza ostacoli. La temperatura superficiale della guaina in PFA verso la parete è di 15-40 gradi superiore rispetto al lato verso la vasca aperta. Ciò accelera il deterioramento del polimero, favorisce la formazione di vesciche e riduce la durata del riscaldatore. La distanza di sicurezza può essere valutata bilanciando l'efficienza dello spazio del serbatoio e la necessità di un'adeguata circolazione del fluido lungo l'intera circonferenza del riscaldatore.

Fluidodinamica nello spazio tra il riscaldatore-e-la parete
Per un riscaldatore cilindrico verticale montato parallelamente alla parete piana del serbatoio, la larghezza dello spazio (g) è la distanza tra la superficie esterna del riscaldatore e la parete. La convezione naturale nello spazio ha regimi multipli in base al numero di Rayleigh adimensionale. Quando g è maggiore di 3–4 D, lo spazio funziona come un canale aperto e il coefficiente di trasmissione del calore è uguale a quello di un riscaldatore indipendente-. Quando g è inferiore a 1,5 D, il pennacchio di fluido ascendente proveniente dal riscaldatore disturba lo strato limite della parete. Il fluido riscaldato scorre verso l'alto nel piccolo spazio, formando un getto ad alta-velocità che trascina il fluido più freddo dal basso. In realtà, questo getto migliora la trasmissione del calore per gli intervalli da 0,5D a 1,0D. Il regime pericoloso è compreso tra 0,1 D e 0,4 D. A distanze così piccole la parete limita la crescita del getto ascendente. L'intrappolamento del fluido provoca una diminuzione del numero di Nusselt locale (coefficiente di scambio termico adimensionale) al 30–50% del valore del flusso libero.

Per un riscaldatore PFA standard da 25 mm di diametro (D=25 mm) la soglia della distanza di sicurezza è di circa 1,0 D=25 mm dalla parete del serbatoio. Il regime di stagnazione inizia a 10 mm (0,4 D). In acqua a 90 gradi con uno spazio di 5 mm i dati sperimentali rivelano che il coefficiente di scambio termico sul lato rivolto verso la parete si riduce da 800 W/m2K (freestream) a 250–350 W/m2K. Per un riscaldatore che funziona a 5 W/cm2, questa riduzione aumenta la temperatura superficiale del PFA a 135–145 gradi sul lato rivolto verso la parete-da 105 gradi, un aumento di 30–40 gradi. Il tasso di penetrazione dell'acqua e degli acidi attraverso il PFA a 145 gradi è doppio rispetto a quello a 105 gradi e la resistenza alla trazione del polimero diminuisce del 15-20%. Questo punto caldo è localizzato e provoca vesciche o crepe premature sul lato rivolto verso la parete, il lato aperto rimane illeso. Più di 5.000 ore di funzionamento.

Dipendenza dal materiale e dalla temperatura della distanza minima
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) perché l'aumento di temperatura nell'intercapedine è maggiore. Quando si verificano tali circostanze, la distanza minima di sicurezza deve essere aumentata a 1,5 D. Per un flusso di calore basso (<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) hanno una debole convezione naturale. La penalità di stagnazione in spazi piccoli è meno grave poiché il coefficiente di scambio termico a flusso libero è già basso (100–200 W/m²·K). Il problema con gli oli non è tanto il surriscaldamento locale quanto la riduzione del trasferimento di calore in generale. La penalizzazione più grave del ristagno e i maggiori requisiti di distanza di sicurezza si verificano in acqua e acidi diluiti (bassa viscosità, elevata diffusività termica).

Il materiale della parete del serbatoio è importante poiché definisce la condizione al contorno. Una parete metallica del serbatoio (alta conduttività termica) può trasferire il calore lontano dall'intercapedine, diminuendo parzialmente la stagnazione. La parete metallica funge da dissipatore di calore e mantiene il fluido nell'intercapedine più fresco rispetto a un serbatoio in plastica o rivestito. Per i serbatoi in acciaio inossidabile, lo spazio minimo di sicurezza può essere ridotto del 20-30% rispetto a quello dei serbatoi in polipropilene o FRP. Tuttavia, se la guaina in PFA tocca la parete, esiste la possibilità di guasto a terra con un serbatoio metallico. Per tensioni fino a 480 V, dovrebbe esserci una distanza elettrica minima di 12 mm, indipendentemente dalle considerazioni termiche.

Guida alla distanza minima di sicurezza in base ai parametri dell'applicazione
Diametro del riscaldatore (D) Flusso di calore applicato Tipo di fluido (viscosità) Materiale della parete del serbatoio Effetto dello spazio minimo consigliato della riduzione del 50% dello spazio
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 Qualsiasi fluido a bassa-viscosità Qualsiasi spazio 1,5 D (38-40 mm)<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (riscaldatore di-diametro grande) 3–6 W/cm² Acqua, acido diluito Plastica 1,0D (30–40 mm) D più grande richiede uno spazio corrispondentemente maggiore
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1.000 cP) Qualsiasi 0,3D (min 10 mm) Penalità di stagnazione modesta; la viscosità dell'olio limita comunque la convezione
Qualsiasi diametro Qualsiasi Liquido bollente Qualsiasi 1,5 D min Le bolle di vapore necessitano di spazio per fuoriuscire<1.0D produces vapour blanketing
Piccolo serbatoio (largo<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Verifica pratica di installazione
Due test sul campo dimostrano che gli impianti esistenti non hanno spazio sufficiente dove la distanza non può essere misurata direttamente (riscaldatori nascosti da staffe o flange). Innanzitutto, misurare la temperatura superficiale del PFA sul lato rivolto verso la parete utilizzando un termometro a infrarossi attraverso una finestra visiva o durante lo svuotamento del serbatoio. La stagnazione è stata riconosciuta quando la differenza di temperatura tra il lato-rivolto verso la parete e il lato aperto-del serbatoio era maggiore di 15 gradi. In secondo luogo, controlla il lato rivolto verso la parete-di un riscaldatore diseccitato-per eventuali scolorimenti localizzati (giallo-marrone) o formazione di vesciche. Questi sintomi si manifestano sul lato della parete molto prima che il lato aperto mostri segni di deterioramento. Per le nuove installazioni utilizzare distanziatori o distanziatori che mantengano una spaziatura minima definita. Il metallo non è una buona scelta per le situazioni di stallo, poiché può formare linee di faglia a terra. I distanziatori in plastica (PVDF o PTFE) sono la scelta migliore. Posizionare i distanziatori proprio nella parte superiore e inferiore del riscaldatore - i distanziatori a metà-campata producono i propri punti di stagnazione. Se la dimensione del serbatoio risulta inferiore al minimo richiesto, ridurre la densità di watt del riscaldatore del 25-30% per compensare la minore trasmissione del calore. Un riscaldatore con una densità di watt inferiore e un gap di 0,3 D potrebbe raggiungere la stessa temperatura superficiale PFA di un riscaldatore convenzionale con un gap di 1,0 D. Oppure metti due piccoli riscaldatori invece di un enorme riscaldatore. Distanziali dalle pareti e lontani l'uno dall'altro.

CONCLUSIONE UN DIAMETRO È UNA BUONA REGOLA
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), il divario è meno importante poiché la convezione naturale è debole indipendentemente dal gioco, ma 0,3D è comunque un minimo ragionevole per il gioco meccanico. Per i liquidi bollenti, la distanza deve essere aumentata a 1,5 D per consentire alle bolle di vapore di fuoriuscire senza colpire la parete. La correlazione Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) può essere utilizzata dagli ingegneri coinvolti nella costruzione di progetti di serbatoi compatti per calcolare l'aumento di temperatura previsto nell'intercapedine per g/D < 1,0. Se la temperatura superficiale calcolata è maggiore di 150 gradi per il funzionamento continuo o di 170 gradi per il funzionamento intermittente, aumentare l'intervallo o diminuire la densità di watt. Il più tipico guasto sul campo dovuto a rimozione impropria-bruciature localizzate sul muro-lato rivolto dopo 1.000-3.000 ore viene completamente evitato rispettando la regola del diametro unico durante l'installazione.