Почему нагреватель из PFA с шероховатой, обработанной пескоструйной обработкой поверхностью превосходит гладкую поверхность при нагреве органическим растворителем под высоким-давлением?

С точки зрения стабильности пленки и теплопередачи при пузырьковом кипении шероховатая поверхность PFA (Ra 1,0–1,5 мкм) часто работает лучше, чем гладкая поверхность (Ra < 0,2 мкм) при нагревании органических растворителей под высоким -давлением (например, толуол, ацетон, гексан при 5–20 бар, 100–200 градусов). Механизмом является контроль зарождения пузырьков; перегрев и резкое, быстрое кипение (удары) происходят из-за гладких поверхностей, подавляющих образование пузырьков. Более высокие коэффициенты теплопередачи и постоянное кипение с мелкими-пузырьками обеспечиваются шероховатой поверхностью, которая обеспечивает контролируемые места зародышеобразования. Кроме того, поскольку шероховатая внутренняя поверхность (при пескоструйной обработке перед экструзией) улучшает механическое сцепление между PFA и металлическим сердечником, шероховатая поверхность противостоит расслоению, вызванному {-расширением. Шероховатая поверхность увеличивает смачиваемость и снижает риск пленочного кипения органических растворителей, которые плохо смачивают PFA (угол контакта > 90 градусов). Для достижения оптимальных результатов внутренняя поверхность должна быть химически протравлена ​​для обеспечения адгезии, а внешняя поверхность подвергнута пескоструйной обработке (Ra 1,0–1,5 мкм).

Кипение зародышей и шероховатость поверхности
Тепловой поток в органических растворителях, нагретых под давлением, часто бывает достаточно сильным, чтобы вызвать кипение на поверхности ПФА. Зарождение пузырьков на гладкой поверхности требует большого перегрева (ΔT=10–30 градусов выше температуры кипения). Локальное повышение температуры происходит из-за того, что пузырьки становятся огромными и медленно отделяются. Микро-полости (5–20 мкм) на шероховатой поверхности служат постоянными местами зародышеобразования, улавливая пар. Теплопередача улучшается за счет пузырьков, которые образуются при более низком перегреве (2–5 градусов), имеют меньший размер и чаще отделяются. При том же тепловом потоке шероховатая поверхность может иметь на 50–100 % больший коэффициент теплоотдачи (h).

Гладкий PFA (Ra 0,1 мкм) показывает пленочное кипение при 8 Вт/см² при ΔT=40 градусах для толуола при 150 градусах и давлении 10 бар. При температуре ΔT=15 шероховатый PFA (Ra 1,2 мкм) выдерживает пузырьковое кипение до 15 Вт/см².

Сравнение эффективности органических растворителей при высоком давлении
Давление растворителя (бар) Температура (градусы) Шероховатость поверхности Критический тепловой поток (Вт/см²) Коэффициент теплопередачи (Вт/м²·К) Режим кипения Относительный срок службы
Toluene 10 150 Smooth (0.1) 6–8 1,500–2,000 Film boiling at >6 1.0x Толуол 10 150 Огрубление (1,2) 12–15 3,000–4,000 Зародышеобразование до 12 2.5x
Ацетон 8 120 Гладкая 5–7 1,800–2500 Ударная 1,0x
Ацетон 8 120 Шероховатый 10–12 3,500–5000 Стабильные пузырьки 2,8x Гексан 5 100 Гладкий 4–6 1,200–1800 Бурное кипение 0,8x
Гексан 5 100 Шероховатый 8–10 2,500–3500 Контролируемый 2,2x Этанол 12 180 Гладкий 7–9 2000–2500 Перегрев 1,2x
Этанол 12 180 Огрубленный 14–16 4 000–5 500 Стабильный 2,5x
Механическая блокировка для адгезии
Внутренняя поверхность оболочки из PFA (по отношению к металлическому сердечнику) также получает шероховатость. Пескоструйная обработка металлического сердечника до Ra 2–4 ​​мкм перед экструзией PFA приводит к механическому соединению. PFA закрепляется, затекая в неровности поверхности. Жидкость может незначительно расширять PFA (увеличение объема на 0,5–2 %) в органических растворителях под высоким-давлением. В условиях распухания гладкая граница раздела (Ra < 0,5 мкм) может расслаиваться. Поскольку PFA зафиксирован внутри выемок, адгезия сохраняется на шероховатой поверхности раздела (Ra > 2 мкм). Это важно для долгосрочной-надежности.

Для получения наилучшего результата укажите:

Пескоструйная обработка до Ra 1,0–1,5 мкм снаружи (для зарождения пузырьков)

Пескоструйная обработка внутренней поверхности (металлический сердечник) до Ra 2,5–4,0 мкм (для адгезии)

Поверхность металлического сердечника: химически протравлена ​​после пескоструйной обработки для удаления незакрепленных частиц и создания нано-пористости.

Когда гладкая поверхность лучше
Гладкие поверхности из PFA по-прежнему выбирают для:

Без-кипения, однофазный-нагрев: пузырьков нет, поэтому шероховатость лишь способствует загрязнению.

Высокий уровень-чистоты: шероховатые поверхности собирают загрязнения, и их труднее очистить.

Кристаллизующиеся или образующиеся накипи жидкости: накипь легко прилипает к шероховатым поверхностям.

Служба низкого-напряжения (<2 bar) where boiling is not a problem.

Пример в полевых условиях
Гладкий нагреватель из PFA использовался в фармацевтическом реакторе для нагрева толуола при температуре 150 градусов и давлении 10 бар. Через шесть месяцев в нагревателе появились значительные удары и резкие выбросы пара, что привело к колебаниям температуры на ±15 градусов и растрескиванию PFA. На установке был установлен шероховатый нагреватель из PFA (наружный Ra 1,3 мкм, сердцевина Ra 3 мкм). Обогреватель прослужил более трех лет, тряска исчезла, а регулировка температуры улучшилась с точностью до ±2 градуса. Стоимость обогревателя увеличилась на 100 долларов за счет пескоструйной обработки (доплата 15%). Его окупили за два месяца благодаря экономии за счет сокращения времени простоя.

Осмотр и содержание
При эксплуатации нагревателей с шероховатой поверхностью проверьте:

Загрязнение: Отложения задерживаются на шероховатых поверхностях. Для очистки используйте мягкую щетку и легкий растворитель; избегайте использования абразивов, которые могут сгладить поверхность.

Поверхностный износ: Эрозия может сгладить выступы в течение периода от трех до пяти лет. Если Ra упадет ниже 0,8 мкм, повторите-пескоструйную обработку или замените.

Испытание на адгезию: Периодически оценивайте сопротивление изоляции. Расслоение на шероховатой границе раздела обозначается каплей, что встречается редко.

В заключение, шероховатая поверхность улучшает адгезию и кипячение.
При нагреве органических растворителей под высоким-давлением (5–20 бар, 100–200 градусов) нагреватель из PFA с шероховатой поверхностью, обработанной пескоструйной обработкой (Ra 1,0–1,5 мкм), превосходит гладкую поверхность в 2–3 раза с точки зрения стабильного пузырькового кипения, более высокого критического теплового потока и устойчивости к ударам. Шероховатая внешняя поверхность обеспечивает регулируемые места зарождения пузырьков; шероховатая внутренняя поверхность способствует адгезии и предотвращает набухание,-вызванное растворителем. Укажите PFA, подвергнутый пескоструйной обработке, для любого процесса с органическими растворителями, в котором происходит кипение. Для работы без-кипения, низкого-давления или высокой-чистоты лучше всего подходит гладкая поверхность. Выровняйте поверхность в соответствии с поставленной задачей. Шишки необходимы для кипячения. Песок необходим для неровностей. Отшлифуйте поверхность, стабильно кипятите и выдержите долгое время. В грубых породах много органики. Гладкая скользкая - и скатывается в пленочное кипение. Выберите грубый.