Proč ohřívač PFA se zdrsněným pískovaným povrchem překonává hladký povrch při vysokotlakém ohřevu organickým rozpouštědlem?

Pokud jde o stabilitu filmu a přenos tepla při nukleárním varu, zdrsněný povrch PFA (Ra 1,0–1,5 µm) často funguje lépe než hladký povrch (Ra < 0,2 µm) při vysokotlakém zahřívání organickým rozpouštědlem (např. toluen, aceton, hexan při 5–20 barech, 100–200 stupňů). Mechanismem je kontrola nukleace bublin; přehřátí a náhlý, rychlý var (naražení) jsou výsledkem hladkých povrchů potlačujících tvorbu bublin. Vyšší koeficienty přestupu tepla a konzistentní var{12}}malých bublinek jsou podporovány zdrsněným povrchem, který nabízí místa pro řízenou nukleaci. Navíc, protože drsný vnitřní povrch (pokud je před vytlačováním otryskán pískem) zlepšuje mechanické spojení mezi PFA a kovovým jádrem, zdrsněný povrch odolává rozpouštědlové -delaminaci způsobené bobtnáním. Zdrsněný povrch zvyšuje smáčivost a snižuje riziko varu filmu u organických rozpouštědel, která PFA špatně smáčejí (kontaktní úhel > 90 stupňů). Pro optimální výsledky by měl být vnitřní povrch pro přilnavost chemicky naleptán a vnější povrch by měl být otryskán (Ra 1,0–1,5 µm).

Var nukleátů a drsnost povrchu
Tepelný tok v organických rozpouštědlech zahřátých pod tlakem je často dostatečně silný, aby vyvolal var na povrchu PFA. Nukleace bublin na hladkém povrchu vyžaduje velké množství přehřátí (ΔT=10–30 stupňů nad bodem varu). Místní zvýšení teploty je důsledkem bublin, které se zvětšují a pomalu se oddělují. Mikro -dutiny (5–20 µm) na zdrsněném povrchu slouží jako trvalá nukleační místa zachycováním výparů. Přenos tepla zlepšují bubliny, které se tvoří při nižším přehřátí (2–5 stupňů), jsou menší a častěji se oddělují. Při stejném tepelném toku může mít zdrsněný povrch o 50–100 % větší součinitel prostupu tepla (h).

Hladký PFA (Ra 0,1 µm) ukazuje film varu při 8 W/cm² se stupněm ΔT=40 pro toluen při 150 stupních a 10 barech. Při ΔT=15 stupni udržuje zdrsněný PFA (Ra 1,2 µm) var zárodků až 15 W/cm².

Porovnání výkonu v organických rozpouštědlech při vysokém tlaku
Tlak rozpouštědla (bar) Teplota (stupně) Povrchová úprava Kritický tepelný tok (W/cm²) Koeficient přenosu tepla (W/m²·K) Režim varu Relativní životnost
Toluene 10 150 Smooth (0.1) 6–8 1,500–2,000 Film boiling at >6 1.0x Toluen 10 150 Zdrsněný (1,2) 12–15 3 000–4 000 nukleát na 12 2.5x
Aceton 8 120 Hladký 5–7 1,800–2500 Nárazy 1,0x
Aceton 8 120 Zdrsněný 10–12 3,500–5000 Stabilní bubliny 2,8x Hexan 5 100 Hladký 4–6 1,200–1800 Prudký var 0,8x
Hexan 5 100 Zdrsněný 8–10 2,500–3500 Kontrolovaný 2,2x etanol 12 180 Hladký 7–9 2,000–2500 Přehřátí 1,2x
Ethanol 12 180 zdrsněný 14–16 4 000–5 500 stabilní 2,5x
Mechanické blokování pro přilnavost
Zdrsnění prospívá i vnitřnímu povrchu pláště PFA (proti kovovému jádru). Pískování kovového jádra na Ra 2–4 ​​µm před extruzí PFA vytváří mechanické vzájemné spojení. PFA se ukotvuje zatékáním do povrchových nerovností. Kapalina může mírně expandovat PFA (0,5–2% nárůst objemu) ve vysokotlakých organických rozpouštědlech. Při namáhání bobtnáním může dojít k delaminaci hladkého rozhraní (Ra < 0,5 µm). Protože PFA je uzamčena v prohlubních, adheze je zachována na hrubém rozhraní (Ra > 2 µm). Pro dlouhodobou{13}}spolehlivost je to nezbytné.

Chcete-li dosáhnout nejlepších výsledků, uveďte:

Na vnější straně pískované na Ra 1,0–1,5 µm (pro nukleaci bublin)

Pískované na Ra 2,5–4,0 µm (pro přilnavost) na vnitřním povrchu (kovové jádro)

Povrch kovového jádra: Chemicky leptaný po pískování k odstranění uvolněných částic a vytvoření nano-pórovitosti

Když je lepší hladký povrch
Hladké povrchy PFA jsou stále vybírány pro:

Bez{0}}varu, jednofázové-zahřívání: Žádné bubliny, drsnost tedy pouze podporuje usazování nečistot.

Vysoká{0}}čistota: Hrubé povrchy zachycují nečistoty a hůře se čistí.

Krystalizující nebo usazující se kapaliny: Vodní kámen snadno ulpívá na drsných površích.

Nízkotlaká{0}}služba (<2 bar) where boiling is not a problem.

Příklad v poli
Hladký ohřívač PFA byl použit ve farmaceutickém reaktoru k ohřevu toluenu na 150 stupňů a 10 bar. Po šesti měsících došlo v ohřívači k výrazným nárazům a náhlým výronům páry, což mělo za následek kolísání teploty o ±15 stupňů a praskání PFA. V závodě byl instalován zdrsněný ohřívač PFA (Ra 1,3 µm vnější, Ra 3 µm jádro). Topení vydrželo více než tři roky, nárazy zmizely a regulace teploty se zlepšila na ±2 stupně. Náklady na ohřívač vzrostly o 100 USD kvůli pískování (15% příplatek). Díky úspoře ze zkrácených prostojů byl zaplacen za dva měsíce.

Vyšetření a údržba
U zdrsněných ohřívačů v provozu zkontrolujte:

Znečištění: Usazeniny se zachycují na drsném povrchu. K čištění používejte jemný kartáč a lehké rozpouštědlo; nepoužívejte žádné abrazivní prostředky, které by mohly povrch vyhladit.

Opotřebení povrchu: Eroze může vyhladit vrcholy po dobu tří až pěti let. Pokud Ra klesne pod 0,8 µm, znovu-opískujte nebo vyměňte.

Zkouška přilnavosti: Pravidelně vyhodnocujte izolační odpor. Delaminace na hrubém rozhraní je indikována kapkou, což je neobvyklé.

Závěrem lze říci, že zdrsněný povrch zlepšuje přilnavost a var.
Pro vysokotlaké-zahřívání organickým rozpouštědlem (5–20 barů, 100–200 stupňů) ohřívač PFA se zdrsněným pískovacím povrchem (Ra 1,0–1,5 µm) porazí hladký povrch 2–3×, pokud jde o stabilní var jader, vyšší kritický tepelný tok a odolnost proti nárazům. Hrubý vnější povrch poskytuje regulovaná místa nukleace bublin; hrubý vnitřní povrch podporuje přilnavost proti bobtnání{10}}vyvolanému rozpouštědlem. Specifikujte pískované PFA pro jakýkoli proces s organickým rozpouštědlem, kde dochází k varu. Pro provoz bez-varu, nízkého-tlaku nebo-vysoké{15}}čistoty je nejlepší plynulost. Zarovnejte povrch s úkolem. K varu jsou nutné hrbolky. Na hrbolky je nutný písek. Povrch obruste, vařte a dlouho vydržte. Hrubý je silný v organických látkách. Hladká je kluzká - a sklouzne do varu filmu. Vyberte hrubé.