Qual é a distância segura entre um aquecedor de imersão PFA e a parede do tanque para evitar a degradação do polímero?

Se os aquecedores de imersão PFA estiverem muito próximos da parede do tanque, uma área local de fluido estagnado ou de fluxo lento se desenvolverá entre o aquecedor e a parede do tanque. O fluxo de convecção típico que transporta calor para longe da bainha de PFA é limitado neste espaço restrito. O fluido na lacuna aquece lentamente, sua densidade diminui e fica preso sob o fluido mais quente acima. Este fenômeno é chamado de estagnação ou canalização de fluido, e o coeficiente de transferência de calor local é 50-80% menor do que o de um aquecedor desobstruído. A temperatura da superfície da bainha de PFA em direção à parede é 15-40 graus mais alta do que na lateral em direção ao tanque aberto. Isto acelera a deterioração do polímero, promove a formação de bolhas e reduz a vida útil do aquecedor. A distância segura pode ser avaliada equilibrando a eficiência do espaço do tanque e a necessidade de circulação adequada do fluido em toda a circunferência do aquecedor.

Dinâmica de Fluidos no Aquecedor-para-Abertura na Parede
Para um aquecedor cilíndrico vertical montado paralelamente a uma parede plana do tanque, a largura da folga (g) é a distância entre a superfície externa do aquecedor e a parede. A convecção natural na lacuna tem múltiplos regimes de acordo com o número de Rayleigh adimensional. Quando g é maior que 3–4 D, a lacuna funciona como um canal aberto e o coeficiente de transmissão de calor é o mesmo de um aquecedor independente-. Quando g é menor que 1,5D, a pluma de fluido ascendente do aquecedor perturba a camada limite da parede. O fluido aquecido flui para cima na pequena abertura, formando um jato de alta-velocidade que arrasta o fluido mais frio por baixo. Na verdade, este jato melhora a transmissão de calor para as lacunas de 0,5D a 1,0D. O regime perigoso está em intervalos entre 0,1D e 0,4D. Em espaços tão pequenos a parede restringe o crescimento do jato ascendente. O aprisionamento de fluido causa uma diminuição no número de Nusselt local (coeficiente de transferência de calor adimensional) para 30–50% do valor de fluxo livre.

Para um aquecedor PFA padrão de 25 mm de diâmetro (D=25 mm), o limite de distância segura é de cerca de 1,0D=25 mm da parede do tanque. O regime de estagnação começa em 10 mm (0,4D). Em água a 90 graus com uma folga de 5 mm, os dados experimentais revelam que o coeficiente de transferência de calor no lado voltado para a parede foi reduzido de 800 W/m2K (fluxo livre) para 250–350 W/m2K. Para um aquecedor operando a 5 W/cm2, essa redução eleva a temperatura da superfície do PFA para 135–145 graus no lado voltado para a parede de 105 graus, um aumento de 30–40 graus. A taxa de penetração de água e ácidos através do PFA a 145 graus é duas vezes maior que a 105 graus e a resistência à tração do polímero diminui 15-20%. Este ponto quente é localizado e causa bolhas ou rachaduras prematuras no lado voltado para a parede, o lado aberto permanece ileso. Mais de 5.000 horas de operação.

Dependência de material e temperatura da distância mínima
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) porque o aumento de temperatura no vão é maior. Quando tais circunstâncias ocorrerem, a folga mínima de segurança deverá ser aumentada para 1,5 D. Para baixo fluxo de calor (<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) têm convecção natural fraca. A penalidade de estagnação em pequenas lacunas é menos severa, uma vez que o coeficiente de transferência de calor em fluxo livre já é baixo (100–200 W/m²·K). O problema com os óleos não é tanto o superaquecimento local, mas a redução da transferência de calor em geral. A penalidade de estagnação mais severa e os maiores requisitos de distância segura ocorrem em água e ácidos diluídos (baixa viscosidade, alta difusividade térmica).

O material da parede do tanque é importante porque define as condições de contorno. Uma parede metálica do tanque (alta condutividade térmica) pode transferir o calor para longe da lacuna, diminuindo parcialmente a estagnação. A parede metálica é um dissipador de calor, mantendo o fluido na abertura mais frio do que em um tanque plástico ou revestido. Para tanques de aço inoxidável, a folga mínima segura pode ser reduzida em 20 a 30 por cento em relação aos tanques de polipropileno ou FRP. Porém, se a bainha PFA tocar a parede, existe a possibilidade de falha à terra com um tanque metálico. Para tensões até 480 V, deverá haver uma folga elétrica mínima de 12 mm, independentemente das considerações térmicas.

Guia para Distância Mínima de Segurança por Parâmetros de Aplicação
Diâmetro do aquecedor (D) Tipo de fluido de fluxo de calor aplicado (viscosidade) Material da parede do tanque Efeito de folga mínimo recomendado de 50% de redução na folga
20-25mm<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 Qualquer fluido-de baixa viscosidade Qualquer 1,5D (38-40 mm) Folga<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30–40 mm (aquecedor de grande-diâmetro) 3–6 W/cm² Água, ácido diluído Plástico 1,0D (30–40 mm) maior D precisa de uma folga correspondentemente maior
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1.000 cP) Qualquer 0,3D (min 10 mm) Pena de estagnação modesta; a viscosidade do óleo restringe a convecção de qualquer maneira
Qualquer diâmetro Qualquer líquido em ebulição Qualquer 1,5D min Bolhas de vapor precisam de espaço para escapar Lacuna<1.0D produces vapour blanketing
Tanque pequeno (largo<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Verificação Prática de Instalação
Dois testes de campo mostram que as instalações existentes não têm espaço suficiente onde a distância não pode ser medida diretamente (aquecedores ocultos por suportes ou flanges). Primeiro, meça a temperatura da superfície do PFA no lado voltado para a parede usando um termômetro infravermelho através de uma porta de visualização ou durante a drenagem do tanque. A estagnação foi reconhecida quando a diferença de temperatura entre o lado-voltado para a parede e o lado-aberto do tanque era maior que 15 graus. Segundo, verifique o lado-voltado para a parede de um aquecedor des{7}}energizado quanto a descoloração localizada (amarelo-marrom) ou bolhas. Esses sintomas aparecem no lado da parede muito antes de o lado aberto apresentar qualquer evidência de deterioração. Para novas instalações utilize espaçadores ou espaçadores que mantenham um espaçamento mínimo definido. O metal não é uma boa escolha para impasses, pois pode formar linhas de falha à terra. Os espaçadores de plástico (PVDF ou PTFE) são a melhor escolha. Posicione os impasses logo na parte superior e inferior do aquecedor - no meio-os impasses do vão produzem seus próprios pontos de estagnação. Se o tamanho do tanque resultar em um mínimo inferior ao exigido, reduza a densidade de watts do aquecedor em 25-30% para compensar a menor transmissão de calor. Um aquecedor com densidade de watts mais baixa e um intervalo de 0,3D pode atingir a mesma temperatura de superfície PFA que um aquecedor convencional com um intervalo de 1,0D. Ou coloque dois aquecedores minúsculos em vez de um aquecedor enorme. Afaste-os das paredes e uns dos outros.

CONCLUSÃO UM DIÂMETRO É UMA BOA REGRA
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), a lacuna é menos importante porque a convecção natural é fraca, independentemente da folga, mas 0,3D ainda é um mínimo razoável para a folga mecânica. Para líquidos em ebulição, o espaçamento deve ser aumentado para 1,5D para permitir que as bolhas de vapor escapem sem atingir a parede. A correlação Nu gap/Nu livre=1-exp(-1,2 g/D) pode ser usada por engenheiros envolvidos na construção de projetos de tanques compactos para calcular o aumento de temperatura projetado na lacuna para g/D < 1,0. Se a temperatura da superfície calculada for superior a 150 graus para operação contínua ou 170 graus para operação intermitente, aumente o intervalo ou diminua a densidade de watts. A falha de campo mais comum causada por folga inadequada-queima localizada no lado voltado para a parede-após 1.000 a 3.000 horas é totalmente evitada respeitando a regra de um diâmetro durante a instalação.