Miért csökkenti néha a PFA tapadásmentes-karakterisztikája a fűtési hatékonyságot, ha nagy viszkozitású közegekkel dolgozik?

Amikor nagy viszkozitású folyadékokhoz, például olvadékragasztókhoz, koncentrált polimer oldatokhoz, bitumenhez vagy epoxigyantákhoz terveznek merülő fűtőtesteket, a mérnökök általában PFA (perfluor-alkoxi-alkán) burkolatokat írnak elő szinte univerzális vegyszerállóságuk és kiváló tapadásmentes felületük miatt. A sima, alacsony -súrlódású fluorpolimer burkolat várhatóan kiküszöböli a lerakódásokat-, csökkenti a tisztítási állásidőt, és folyamatosan tisztán tartja a fűtőfelületet. A folyamatos polimerfeldolgozó sorok és a ragasztóanyag-tartó tartályok helyszíni adatai azonban meglepő jelenséget mutatnak: a nagyon tapadásmentes tulajdonság, amely a PFA-t kívánatossá teszi, bizonyos viszkózus áramlási körülmények között drámaian csökkentheti a hőátadási képességet. Ez egy stabil, hőszigetelő határréteg kialakításával valósul meg, amely gyengén tapad a fűtőberendezéshez, de az ömlesztett folyadék magas viszkozitása ellen tartja. Ennek a hatásnak a megértéséhez meg kell vizsgálnunk a folyadék dinamikáját a fűtő{8}}folyadék felületén, nem csak az anyagparamétereket.

Az alacsony-tapadású felületi viszkózus alréteg jelensége
Bármilyen kényszerített vagy természetes konvekciós fűtési helyzetben a szilárd fal közelében lévő folyadékréteg kisebb sebességgel rendelkezik, mint az ömlesztett áramlás. Alacsony viszkozitású folyadékok, például víz vagy híg savak esetében ez a határréteg általában 0,5 mm-nél kisebb vastagságú, és szigetelő hatása kicsi a teljes hőátbocsátási tényezőhöz képest. A nagy -viszkozitású közegek (itt a dinamikus viszkozitás > 500 cP üzemi hőmérsékleten) alapvetően eltérően működnek. Az impulzusdiffúzivitás olyan alacsony, hogy a viszkózus alréteg 3-8 mm-re lehet a fűtőfelülettől, különösen nyugalmi tartályokban, mechanikus keverés nélkül.

Ez a réteg lassan mozog egy szabványos fém fűtőtesten, közepes felületi érdességgel (Ra 0,8-1,6 µm). A hőcsere természetes konvekció útján megy végbe magában a rétegben, mikroszkopikus méretű keverőörvényeket képezve a forró fallal érintkező folyadék felfrissítésére. Ezzel szemben a PFA felületének felületi energiája nagyon alacsony (normál érték 18-20 mN/m), és nagyon sima (Ra gyakran<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.

A hőátadási büntetés számszerűsítése: az elmélettől a mért adatokig.
A fűtési hatásfok csökkenése a viszkózus alrétegre alkalmazott Fourier-törvény közvetlen eredménye. A q hőáramot q=h (Tsurface − Tbulk) formában fejezzük ki, ahol h a konvektív hőátbocsátási tényező. Magas Pr-számú folyadékoknál (Pr > 100, gyakori a viszkózus közegeknél) a Nusselt-szám-korreláció Nu=h·L/k jelentős hatással van a fal „nedvesíthetőségére” vagy tapadási jellemzőire, amit a PFA szándékosan minimalizál. Egy 50 000 cP-s polibutén folyadékkal 180 fokon végzett ellenőrzött laboratóriumi tesztből származó kísérleti adatok, amelyeket a burkolat anyaga kivételével azonos fűtőgeometriával végeztek, azt mutatták, hogy a PFA-köpenyű fűtőtest elérte a 220 fokos maximális felületi hőmérsékletet, mielőtt elérte volna a hőáramot mindössze 1,8 mm-es hőáramban. 1,2 µm) elérte a 2,9 W/cm^2 értéket ugyanazon felületi hőmérsékleti határ alatt. Más szóval, a PFA tapadásmentes természete körülbelül 38%-kal csökkentette ennek a nagy viszkozitású folyadéknak a hasznos teljesítménysűrűségét. Ez sokkal nyilvánvalóbb, ha a folyadék szuszpendált részecskéket vagy szálakat tartalmaz, amelyek durva felületen mikrokeverőként működnek, de a PFA-n egyszerűen elcsúsznak anélkül, hogy megzavarnák a határréteget.

Miért válik a „tiszta felület” akadályává, ha nem mozdul?
Ugyanaz a tapadásmentes tulajdonság, amely megakadályozza a lerakódásokon{0}}sütést, egy stabil, tapadó termikus határréteg kialakulását is kizárja, amelyet az áramlási ingadozások időnként megszakíthatnak. Mechanikus keveréssel vagy recirkulációval ellátott tartályban ez a költség csökken, mivel az ömlesztési sebesség folyamatosan elsöpri a forró határréteget. Sok nagy viszkozitású eljárás azonban szándékosan mérsékelt vagy szakaszos keverést alkalmaz, hogy elkerülje a folyadék levegőztetését vagy a nyírásra érzékeny polimerek lebomlását. Ilyen esetekben a forró, nagy viszkozitású folyadék lényegében mozdulatlan héja beboríthatja a PFA-burkolatot, és hőtakaróként működhet. A 100 000 cP-s bitumenben, 160 fokon két órán át készült PFA-fűtőről készült infravörös fotók körülbelül 5 mm vastag, stabil, kör alakú folyadéktartományt mutattak, amelynek hőmérséklete körülbelül 8–12 fokkal alacsonyabb, mint a hüvely felülete, miközben a tömeghőmérséklet jelentősen elmaradt. Az azonos geometriájú, de valamivel nagyobb felületi energiájú fém fűtőtest látható konvektív csóvákat generált, amelyek rendszeresen leválnak a felületről, ami 40%-kal gyorsabb ömlesztett felmelegedési időt eredményezett.

Összehasonlító kiválasztási útmutató: Amikor a tapadásmentes PFA a legjobb (vagy nem) a viszkózus melegítéshez
Az alábbi táblázat tartalmazza a fő áramlási rendszeren, a viszkozitási tartományon és a tisztítási kényelem és a termikus hatékonyság közötti elfogadható kompromisszum{0}}alapú döntési keretet. Mielőtt véglegesen döntene a burkolat anyagáról, a mérnököknek ellenőrizniük kell az egyedi folyadék Prandtl-számát és a várható határrétegvastagságot egy egyszerű laboratóriumi főzőpohár-teszttel.

Feldolgozási feltételek és viszkozitási tartomány Javasolt burkolat anyaga és felületi mag indoklása a fűtési hatékonysághoz
Magas viszkozitású (1000{5}}100 000 cP) nyugalmi tartály, keverés nélkül, hosszan tartó tartási idők. Érdesített fém (pl. rozsdamentes acél, Incoloy) vagy PFA testreszabott mikro-textúrával A fémfelület mikro{7}}konvektív zavart okoz a viszkózus alrétegben, és 0%-kal növeli a viszkózus FA5 hőáramlást. Elfogadja az időszakos tisztítást, ha lerakódásra főtt. *
Magas viszkozitású, folyamatos recirkuláció (Re > 2300 a fűtőkörben) Normál sima PFA Az ömlesztett áramlás folyamatosan söpör a határrétegen. A tapadásmentes előny gátolja a betét felhalmozódását-. Kicsi (<10%) heating efficiency penalty compared to metal.
Közepes viszkozitás (100{1}}1000 cP), enyhe keverés vagy alkalmankénti keverés PFA felületi dombornyomással vagy spirális barázdákkal A tervezett textúra áttöri a határréteget, ugyanakkor lehetővé teszi a legtöbb folyadék tapadásmentes kiürítését. A legjobb kompromisszum a hőátadás és a tisztaság terén.

Polimerolvadék (nyírásra érzékeny) (pl. PVC-plasztiszol, PU-prepolimer) Tartsa tapadásmentesen, kerülje a lebomló termékeket. Túlméretes fűtőtest a 30-40%-os hőátadási büntetés kompenzálására