Dans une gaine chauffante en PFA (perfluoroalcoxy) utilisée pour chauffer une solution d'acide chlorhydrique à 20 % à 85 degrés, comment la rugosité de surface (Ra 0,2 µm vs . 1.0 µm) modifie-t-elle la densité de nucléation des bulles et le flux de chaleur critique pour l'ébullition des nucléates ?

Les gaines chauffantes PFA dans 20% d'acide chlorhydrique à 85 degrés sont en régime d'ébullition nucléée. La surface rugueuse (Ra 1,0 microm) fournit une densité de sites de nucléation de bulles de 10 000 à 50 000 sites/cm 2 , un diamètre de départ des bulles de 0,2 à 0,5 mm et un flux thermique critique (CHF) de 150 à 200 kW/m 2 . Surface lisse (Ra 0,2 µm) Densité de sites de nucléation 500 à 2 000 sites/cm 2 Diamètre de sortie des bulles plus grand 0,8-1,5 mm Inférieur CHF 80-120 kW/m 2 La surface rugueuse augmente le transport de chaleur de 30 à 50 % et permet une densité de puissance accrue avant que l'ébullition du film ne se produise.

Mécanisme de nucléation des bulles sur la rugosité de la surface

Les cavités de surface sont des lieux de nucléation. Le nombre de sites actifs augmente avec l'augmentation de la rugosité. Le diamètre de départ des bulles diminue avec la densité du site en raison de la fusion et du détachement plus facile des bulles. Le CHF évolue avec la densité du site puisque la surface est mouillée plus longtemps.

Transfert de chaleur quantitatif et Ra

Rugosité de surface Ra (µm) Densité du site de nucléation (sites/cm²) Diamètre de sortie des bulles (mm) CHF (kW/m²) Coefficient de transfert de chaleur (W/m²·K) 0.1 100-500 1.0-2.0 50-80 3,000-5,000 0.2 500-2,000 0.8-1.5 80-120 5,000-8,000 0.5 2,000-10,000 0.5-1.0 120-160 8,000-12,000 1.0 10,000-50,000 0.2-0.5 150-200 12,000-18,000 2.0 50,000-200,000 0.1-0.3 180-220 15,000-22,000
Guide de sélection de la rugosité de surface

CHF attendu (kW/m2) Ra recommandé (µm) Performance de transfert de chaleur souhaitéeRecommandé pour le HCl bouilli
Faible (lisse, facile à nettoyer) 0.2 80-120 Non
Moyen 0.5 120-160 Oui
Élevé (optimisé) 1.0 150-200 Oui
Très élevé (encrassement possible) 2.0 180-220 Limité
Spécifier en toute confiance

Une rugosité de surface de Ra 0,5-1,0 µm est recommandée pour un réchauffeur PFA dans du HCl bouillant à 85 degrés afin d'améliorer la transmission de chaleur d'ébullition nucléée. L'ingénieur contrôle l'efficacité du chauffage en manipulant la rugosité de la surface.