Quelle est la distance de sécurité entre un thermoplongeur PFA et la paroi du réservoir pour éviter la dégradation des polymères ?

Si les thermoplongeurs PFA sont trop proches de la paroi du réservoir, une zone locale de fluide stagnant ou à écoulement lent se développera entre le réchauffeur et la paroi du réservoir. Le flux de convection typique évacuant la chaleur de la gaine PFA est limité dans cet espace contraint. Le fluide dans l'espace se réchauffe lentement, sa densité diminue et il reste emprisonné sous le fluide plus chaud au-dessus. Ce phénomène est appelé stagnation ou canalisation du fluide, et le coefficient de transfert de chaleur local est de 50 à 80 % inférieur à celui d'un radiateur non obstrué. La température de surface de la gaine PFA vers le mur est de 15 à 40 degrés supérieure à celle du côté vers le réservoir ouvert. Cela accélère la détérioration du polymère, favorise le cloquage et réduit la durée de vie du réchauffeur. La distance de sécurité peut être évaluée en équilibrant l’efficacité de l’espace du réservoir et la nécessité d’une bonne circulation du fluide sur toute la circonférence du réchauffeur.

Dynamique des fluides entre le radiateur-et-l'espacement des murs
Pour un radiateur cylindrique vertical monté parallèlement à une paroi plate du réservoir, la largeur de l'espace (g) est la distance entre la surface extérieure du radiateur et la paroi. La convection naturelle dans l'espace a plusieurs régimes selon le nombre de Rayleigh sans dimension. Lorsque g est supérieur à 3-4 D, l'espace fonctionne comme un canal ouvert et le coefficient de transmission de chaleur est le même que celui d'un radiateur autonome. Lorsque g est inférieur à 1,5D, le panache de fluide ascendant provenant du réchauffeur perturbe la couche limite du mur. Le fluide chauffé s'écoule dans le petit espace, formant un jet à grande vitesse qui entraîne le fluide plus froid par le bas. En fait, ce jet améliore la transmission de chaleur pour les écarts de 0,5D à 1,0D. Le régime dangereux se situe dans des écarts compris entre 0,1D et 0,4D. Avec de si petits dégagements, la paroi limite la croissance du jet ascendant. Le piégeage du fluide provoque une diminution du nombre de Nusselt local (coefficient de transfert de chaleur sans dimension) jusqu'à 30 à 50 % de la valeur du flux libre.

Pour un réchauffeur PFA standard de 25 mm de diamètre (D = 25 mm), le seuil de distance de sécurité est d'environ 1,0D = 25 mm de la paroi du réservoir. Le régime de stagnation commence à 10 mm (0,4D). Dans une eau à 90 degrés avec un écart de 5 mm, les données expérimentales révèlent que le coefficient de transfert de chaleur du côté face au mur est réduit de 800 W/m2K (flux libre) à 250-350 W/m2K. Pour un radiateur fonctionnant à 5 W/cm2, cette réduction élève la température de la surface du PFA de 135 à 145 degrés sur le côté faisant face au mur-, contre 105 degrés, soit une augmentation de 30 à 40 degrés. Le taux de pénétration de l'eau et des acides à travers le PFA à 145 degrés est deux fois plus élevé qu'à 105 degrés et la résistance à la traction du polymère diminue de 15 à 20 %. Ce point chaud est localisé et provoque des cloques ou des fissures prématurées sur le côté face au mur, le côté ouvert est indemne. Plus de 5 000 heures de fonctionnement.

Dépendance du matériau et de la température de la distance minimale
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) car l'augmentation de la température dans l'espace est plus élevée. Lorsque de telles circonstances se produisent, l'écart de sécurité minimum doit être augmenté à 1,5 D. Pour un faible flux de chaleur (<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) ont une faible convection naturelle. La pénalité de stagnation dans les petits espaces est moins sévère puisque le coefficient de transfert de chaleur libre est déjà faible (100–200 W/m²·K). Le problème des huiles n’est pas tant une surchauffe locale que la réduction du transfert de chaleur en général. La pénalité de stagnation la plus sévère et les exigences de distance de sécurité les plus élevées se produisent dans l'eau et les acides dilués (faible viscosité, diffusivité thermique élevée).

Le matériau de la paroi du réservoir est important puisqu’il définit la condition aux limites. Une paroi de réservoir métallique (conductivité thermique élevée) peut évacuer la chaleur de l'espace, réduisant ainsi partiellement la stagnation. La paroi métallique est un dissipateur thermique, gardant le fluide dans l'espace plus frais que dans un réservoir en plastique ou revêtu. Pour les réservoirs en acier inoxydable, l'écart minimum de sécurité peut être réduit de 20 à 30 % par rapport aux réservoirs en polypropylène ou en FRP. Cependant, si la gaine PFA touche le mur, il existe une possibilité de défaut à la terre avec un réservoir métallique. Pour des tensions jusqu'à 480 V, il doit y avoir un dégagement électrique minimum de 12 mm, quelles que soient les considérations thermiques.

Guide de la distance de sécurité minimale par paramètres d'application
Diamètre du réchauffeur (D) Flux thermique appliqué Type de fluide (viscosité) Matériau de la paroi du réservoir Effet d'espacement minimum recommandé de 50 % de réduction de l'espacement
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 Tout fluide à faible-viscosité Tout 1,5D (38-40 mm) Écart<1.0D causes rapid degradation (<500 hours)
30 à 40 mm (réchauffeur de grand-diamètre) 3 à 6 W/cm² Eau, acide dilué Plastique 1,0D (30 à 40 mm) un D plus grand nécessite un espace en conséquence plus grand
Any diameter Any heat fluxHigh-viscosity oil (>1 000 cP) Toute pénalité de stagnation de 0,3D (min 10 mm) modeste ; la viscosité de l'huile restreint de toute façon la convection
N'importe quel diamètre N'importe quel Liquide bouillant N'importe quelle 1,5D min Les bulles de vapeur ont besoin d'espace pour s'échapper Espace<1.0D produces vapour blanketing
Petit réservoir (large<5D) Any Any Any Not applicable Center mounting required; wall clearance is insufficient; use numerous smaller heaters
Vérification pratique de l'installation
Deux tests sur le terrain montrent que les installations existantes ne disposent pas d'un espace suffisant où la distance ne peut pas être mesurée directement (radiateurs dissimulés par des supports ou des brides). Tout d’abord, mesurez la température de la surface du PFA sur le côté faisant face au mur à l’aide d’un thermomètre infrarouge à travers un port de visée ou pendant la vidange du réservoir. La stagnation a été reconnue lorsque la différence de température entre le côté faisant face au mur-et le côté ouvert-du réservoir était supérieure à 15 degrés. Deuxièmement, vérifiez le côté-face au mur d'un radiateur-hors tension pour déceler une décoloration localisée (jaune-brun) ou des cloques. Ces symptômes se manifestent du côté du mur bien avant que le côté ouvert ne présente des signes de détérioration. Pour les nouvelles installations, utilisez des entretoises ou des entretoises qui maintiennent un espacement minimum défini. Le métal n’est pas un bon choix pour les entretoises, car il peut former des lignes de faille à la terre. Les entretoises en plastique (PVDF ou PTFE) sont le meilleur choix. Positionnez les entretoises juste en haut et en bas du radiateur - les entretoises à mi-portée - produisent leurs propres points de stagnation. Si la taille du réservoir entraîne un minimum inférieur au minimum requis, réduisez la densité en watts du radiateur de 25 à 30 % pour compenser la transmission de chaleur plus faible. Un radiateur avec une densité de watts inférieure et un écart de 0,3D pourrait atteindre la même température de surface PFA qu'un radiateur conventionnel avec un écart de 1,0D. Ou installez deux petits radiateurs au lieu d’un énorme radiateur. Espacez-les des murs et les uns des autres.

CONCLUSION UN DIAMÈTRE EST UNE BONNE RÈGLE
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), l'écart est moins important car la convection naturelle est faible quel que soit le jeu mais 0,3D reste un minimum raisonnable pour le jeu mécanique. Pour les liquides bouillants, l'espacement doit être augmenté à 1,5D pour permettre aux bulles de vapeur de s'échapper sans heurter le mur. La corrélation Nu gap/Nu free=1-exp(-1,2 g/D) peut être utilisée par les ingénieurs impliqués dans la construction de conceptions de réservoirs compacts pour calculer l'augmentation de température projetée dans l'espace pour g/D < 1,0. Si la température de surface calculée est supérieure à 150 degrés pour un fonctionnement continu ou à 170 degrés pour un fonctionnement intermittent, augmentez l'écart ou diminuez la densité en watts. La défaillance sur site la plus courante due à un dégagement inapproprié-des brûlures localisées sur le mur-côté faisant face après 1 000 à 3 000 heures est entièrement évitée en respectant la règle du diamètre unique lors de l'installation.