การวางแนวการติดตั้งแบบใด - แนวตั้ง แนวนอน หรือมุม - ช่วยลดความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุดบนเครื่องทำความร้อนแบบเคลือบ PFA-

การวางแนวการติดตั้ง - แนวตั้ง แนวนอน หรือมุมเพื่อลดความร้อนสูงเกินเฉพาะจุดบนเครื่องทำความร้อนเคลือบ PFA
ความร้อนสูงเกินเฉพาะที่เป็นหนึ่งในโหมดความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดของเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มเคลือบ PFA แต่วิศวกรจำนวนมากติดตั้งเครื่องทำความร้อนเหล่านี้โดยไม่มีการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบว่าการวางแนวการติดตั้งส่งผลต่อการกระจายอุณหภูมิตามแนวปลอกอย่างไร การเคลือบ PFA โดยทั่วไปมีความหนาระหว่าง 0.8 ถึง 2.5 มม. จะใช้ของเหลวที่อยู่รอบๆ เพื่อกระจายความร้อนออกจากแกนโลหะ ในกรณีที่รูปแบบการไหลของของไหลสร้างโซนนิ่งเฉพาะจุดหรือเกิดการปกคลุมของไอบางส่วนในเครื่องทำความร้อน อุณหภูมิพื้นผิวในพื้นที่อาจสูงกว่าพื้นที่โดยรอบ 30 ถึง 60 องศา บริเวณที่ร้อนเหล่านี้กระตุ้นให้เกิดการสลายตัวของโพลีเมอร์และการพองตัว ซึ่งท้ายที่สุดส่งผลให้การเคลือบล้มเหลวก่อนเวลาอันควร การติดตั้งในแนวตั้ง แนวนอน และมุม ต่างก็มีระบบการพาความร้อนตามธรรมชาติที่แตกต่างกัน รูปแบบการปล่อยฟองที่แตกต่างกัน (ในของเหลวที่กำลังเดือด) และผลกระทบจากการแบ่งชั้นด้วยความร้อนที่แตกต่างกัน การวางแนวที่เหมาะสมถูกกำหนดโดยการจับคู่รูปทรงของเครื่องทำความร้อนและคุณลักษณะของของไหลในกระบวนการกับข้อจำกัดของการติดตั้งถังหรือภาชนะ

การวางแนวตั้ง: การหมุนเวียนตามธรรมชาติในคอลัมน์สูง
เครื่องทำความร้อน PFA ติดตั้งในแนวตั้งจากบริเวณใกล้ด้านล่างของถังไปจนถึงเหนือระดับของเหลวขั้นต่ำโดยใช้กระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติที่เพิ่มขึ้นตามพื้นผิวของปลอก ของเหลวที่อยู่ติดกับผนังร้อนจะร้อนขึ้นและความหนาแน่นลดลง สิ่งนี้จะสร้างชั้นขอบเขตลอยตัวที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากด้านล่างไปยังปลายด้านบนของเครื่องทำความร้อน การไหลขึ้นนี้ทำให้โปรไฟล์อุณหภูมิพื้นผิวสม่ำเสมอตามแกนตั้ง เนื่องจากมันจะจ่ายของเหลวที่สดใหม่และเย็นกว่าตลอดความยาวที่จมอยู่ใต้น้ำ การทดสอบเชิงทดลองกับเครื่องทำความร้อน PFA แนวตั้งขนาด 60 ซม. ในน้ำที่ 90 องศา แสดงให้เห็นว่าเมื่อเครื่องทำความร้อนถูกปกคลุมด้วยน้ำจนหมด อุณหภูมิพื้นผิวจะแปรผันเพียง 4-7 องศาจากล่างขึ้นบน ที่ฟลักซ์ความร้อนที่มากขึ้น ความสม่ำเสมอจะดีกว่าเนื่องจากการลอยตัวที่มากขึ้นส่งผลให้ความเร็วในชั้นขอบเขตสูงขึ้น ในบรรดาทิศทางการติดตั้งทั้งหมด ตำแหน่งแนวตั้งให้ความต้านทานที่ดีที่สุดต่อภาวะอุ่นเฉพาะจุดของของเหลวที่ไม่เดือด

อาจเกิดความท้าทายในการติดตั้งในแนวตั้งในสองจุด ที่ด้านบนสุดของความยาวแบบทำความร้อนและที่บริเวณรองรับด้านล่างด้วย ของไหลที่ให้ความร้อนมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันที่พื้นผิวของของเหลวเนื่องจากการพาความร้อนตามธรรมชาติ ดังนั้นด้านบนของตัวทำความร้อนแนวตั้งจึงอยู่ที่อุณหภูมิสูงสุดของของไหล หากเครื่องทำความร้อนขยายเกินระดับของเหลวภายใต้สภาวะระดับต่ำ ชิ้นส่วนที่แห้งที่สัมผัสจะเกิดความร้อนมากเกินไปอย่างรวดเร็ว โดยไม่คำนึงถึงการจัดการระดับที่ดี พื้นที่แช่ที่สูงที่สุด 2–3 ซม. จะอุ่นกว่าค่าเฉลี่ย 5–10 องศา การจัดเรียงในแนวตั้งเป็นท่อที่มีประสิทธิภาพสำหรับการหลบหนีของไอในของเหลวที่กำลังเดือด ฟองอากาศจะก่อตัวขึ้นทั่วทั้งพื้นผิวและเคลื่อนขึ้นด้านบนโดยตรง เพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวปิดกั้นปลอก พฤติกรรมของฟองอากาศนี้จะช่วยลดโอกาสที่ไอน้ำจะปกคลุม โดยที่เครื่องทำความร้อนจะถูกหุ้มด้วยไอน้ำที่ต่อเนื่องกัน อย่างไรก็ตาม เครื่องทำความร้อนแนวตั้งสามารถสร้างแผ่นความร้อนในการทำงานแบบเดือดที่ระดับความสูงซึ่งมีฟองรวมตัวกันบ่อยครั้ง โดยอยู่เหนือจุดอินพุตด้านล่างประมาณ 15–25 ซม.

การติดตั้งในแนวนอน: การซ้อนและความร้อนสูงเกินไปของพื้นผิวด้านบน
เครื่องทำความร้อน PFA ที่ตั้งในแนวนอนเป็นปัญหาด้านความร้อนที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง กระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติที่เพิ่มขึ้นจากทรงกระบอกแนวนอนแยกจากพื้นผิวด้านบน ก่อตัวเป็นพลัมของของเหลวร้อนซึ่งลอยขึ้นและไหลออกจากเครื่องทำความร้อน ดังนั้นพื้นผิวด้านล่างและด้านข้างจึงถูกสัมผัสกับของเหลวทำความเย็นจากด้านล่างอย่างต่อเนื่อง โซนวิกฤตคือจตุภาคด้านบนของปลอกแนวนอนซึ่งของไหลที่ให้ความร้อนที่เพิ่มขึ้นไม่ได้แทนที่การสัมผัสกับของเหลวเย็นโดยตรง ความไม่สมดุลนี้นำไปสู่การไล่ระดับอุณหภูมิเส้นรอบวง ด้วยเครื่องทำความร้อนแนวนอนเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. ที่ 5 วัตต์/ซม.2 ในน้ำ พื้นผิวด้านบนมักจะร้อนกว่าพื้นผิวด้านล่าง 12-18C ความแตกต่างนี้อาจมากกว่า 30 องศากับของเหลวที่มีความหนืดสูง (มากกว่า 500 cP) เนื่องจากขนนกที่เพิ่มขึ้นจะแคบและแยกออกมากขึ้น ความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่จำกัดอยู่ในโซนจำกัดที่ด้านบนของเครื่องทำความร้อน และไม่กระจายไปทั่วพื้นผิว แถบร้อนเฉพาะที่นี้ส่งเสริมการสลายของ PFA ในตำแหน่งเล็ก ๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดตุ่มหรือรอยแตกเฉพาะที่ แทนที่จะทำให้เปลือกทั้งหมดแก่เป็นเนื้อเดียวกัน

อันตรายเพิ่มเติมเกี่ยวกับของเหลวเดือดจะแสดงโดยการติดตั้งในแนวนอน ฟองอากาศก่อตัวขึ้นที่พื้นผิวด้านล่างและถูกผลักขึ้นด้านบนเพื่อกระทบกับพื้นผิวด้านบน ซึ่งสามารถผสานกันเป็นฟิล์มไอต่อเนื่องได้ ผ้าห่มไอระเหยที่คงอยู่จะก่อตัวขึ้นที่จตุภาคด้านบน ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนลดลงอย่างมากและอุณหภูมิพื้นผิวในท้องถิ่นก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเดือดของฟิล์มบางส่วน สามารถเพิ่มอุณหภูมิของพื้นผิวด้านบนได้ 40–60 องศา เมื่อเทียบกับอุณหภูมิของพื้นผิวด้านล่างในไม่กี่วินาที การเคลือบ PFA ในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจะไปถึงอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดอย่างต่อเนื่องอย่างรวดเร็ว และมักจะเกิดฟองและหลุดออกภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ไม่ใช่หลายปี ดังนั้น โดยทั่วไปแล้วจะหลีกเลี่ยงการวางแนวนอนสำหรับเครื่องทำความร้อนที่เคลือบ PFA- ในการใช้งานแบบเดือด เว้นแต่ฟลักซ์ความร้อนจะยังคงอยู่ต่ำกว่า 3 วัตต์/ซม.2 และการกวนแบบแอคทีฟจะกวาดฟองไอออกจากพื้นผิวด้านบนอย่างต่อเนื่อง

การติดตั้งแบบทำมุม: การประนีประนอมเพื่อความยืดหยุ่นในการติดตั้ง
เครื่องทำความร้อน PFA สามารถติดตั้งได้ที่มุม 15 องศาถึง 45 องศาจากแนวตั้ง ซึ่งมีคุณสมบัติทั้งแนวตั้งและแนวนอน แต่ยังมีรูปแบบการไหลของตัวเองด้วย เมื่อติดตั้งในมุมหนึ่ง เครื่องทำความร้อนอาจปรับให้เข้ากับรูปร่างของภาชนะที่เรียวหรือหลีกเลี่ยงการรบกวนแผ่นกั้นถังและเครื่องกวน การหมุนเวียนของการพาความร้อนตามธรรมชาติส่วนใหญ่ยังคงไหลขึ้นด้านบนตามแนวปลอก แต่องค์ประกอบแนวนอนของมุมทำให้ของไหลที่เพิ่มขึ้นลอยไปที่ด้านบนของท่อที่ทำมุม ด้านล่างได้รับผลกระทบจากของไหลที่เย็นที่สุด และด้านบนได้รับผลกระทบจากส่วนผสมของของไหลสดที่เพิ่มขึ้นและของไหลที่ให้ความร้อนแบบหมุนเวียน สำหรับเครื่องทำความร้อน 30 องศา การวัดอุณหภูมิจะแสดงช่วงเส้นรอบวง 8–12 องศาระหว่างจุดต่ำสุดและสูงสุดของส่วนตัดขวาง- ซึ่งอยู่กึ่งกลางระหว่างตัวอย่างแนวตั้ง (ความแปรผัน 4–7 องศา) และแนวนอน (ความแปรปรวน 12–18 องศา) โปรไฟล์อุณหภูมิตามแนวแกนจะอุ่นขึ้นเล็กน้อยที่ปลายด้านบน คล้ายกับการติดตั้งในแนวตั้ง แต่จะเพิ่มขึ้นอีก 2–4 องศาทุกๆ 10 องศาจากแนวตั้ง

ข้อได้เปรียบหลักของการจัดวางแบบทำมุมคือในถังน้ำตื้น ซึ่งเครื่องทำความร้อนแนวตั้งจะต้องมีการเจาะทะลุอย่างกว้างขวาง เครื่องทำความร้อนที่ทำมุม 45 องศาสามารถวางในถังโดยมีระยะห่างแนวตั้งเพียง 70% ที่จำเป็นสำหรับหน่วยแนวตั้ง แต่ยังให้ลักษณะการไหลที่เหนือกว่าอุปกรณ์แนวนอน การติดตั้งแบบทำมุมช่วยหลีกเลี่ยงการปกคลุมไอที่อาจเกิดขึ้นในแนวนอนในของเหลวที่กำลังเดือด ฟองอากาศจะร่อนขึ้นไปบนฝักแทนที่จะกระทบกับพื้นผิวที่สูงขึ้น มุมจะต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการเกาะติดของฟองอากาศ: การทดลองแสดงให้เห็นว่ามุมที่มากกว่า 20 องศาจากแนวนอน (เช่น . 70 องศาจากแนวตั้ง) ทำให้เกิดการหลุดของฟองอากาศอย่างสม่ำเสมอ ในขณะที่มุมที่ต่ำกว่า 20 องศาทำให้เกิดความเมื่อยล้าตามที่สังเกตได้จากการติดตั้งในแนวนอน กรณีที่แย่ที่สุดสำหรับทั้งการไหลและการเดือดคือเครื่องทำความร้อนในแนวนอนทั้งหมด (0 องศาจากแนวนอน) แต่จะได้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจในช่วง 30 องศาถึง 60 องศาจากแนวนอน หากไม่สามารถติดตั้งในแนวตั้งได้เนื่องจากพื้นที่จำกัด

คู่มือการเลือกพฤติกรรมของของไหลและการวางแนวเรขาคณิตของถัง 2
ตารางด้านล่างแสดงการวางแนวการติดตั้งตามระยะที่เกิดขึ้นของของไหล (ของเหลว-เท่านั้น การเดือด หรือสองเฟส-) รูปแบบการพาความร้อนตามธรรมชาติที่คาดการณ์ไว้ และขีดจำกัดทางกายภาพที่กำหนดโดยการติดตั้ง คำแนะนำทั้งหมดถือว่าพื้นผิวทำความร้อนที่สะอาดและการควบคุมระดับของเหลวอย่างเพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แห้ง

สภาพแวดล้อมการติดตั้งและพฤติกรรมของของไหลที่โดดเด่น การวางแนวการติดตั้งที่แนะนำ อุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดที่คาดหวัง ความไม่สม่ำเสมอ- ความเสี่ยงร้ายแรงที่ต้องแก้ไข
Deep tank (>1 ม.) การพาความร้อนตามธรรมชาติที่ดี ไม่-ของเหลวเดือดตั้งตรง (0 องศาจากแนวตั้ง)4–7 องศา (เฉพาะแนวแกน) ด้านบนของเครื่องทำความร้อนใกล้พื้นผิวของเหลว รักษาความลึกของการแช่ขั้นต่ำ
Deep tank (>1 ม.) ของเหลวที่เดือด ฟลักซ์ความร้อนปานกลาง (3-6 วัตต์/ซม.2) แนวตั้ง (0-10 องศาจากแนวตั้ง) แนวแกน 5-10 องศา; โซนการรวมฟองฟองเส้นรอบวงขั้นต่ำ จัดเตรียมหัวของเหลวไว้เหนือเครื่องทำความร้อนให้เพียงพอ (ขั้นต่ำ 30 ซม.)
ถังตื้น (<40 cm depth), non-boiling liquid, low viscosity Angled (30–60° to vertical) 8–12°C circumferential; 6–10 °C axialWarmer on upper side of angled tube Limit heat flux to 4 W/cm2 or less
ถังตื้น ของเหลวเดือด ฟลักซ์ความร้อนต่ำถึงปานกลาง (<40 cm depth) Angled (45-60° from vertical)10–15°C circumferential Vapor slide-path length; check angle ≥20° from horizontal to prevent blanketing
ถังใดๆ ที่มีความปั่นป่วนเชิงกล (ใบพัดหรือ-การหมุนเวียนซ้ำ) ใดๆ - แนวตั้งหรือมุม - การไหลเด่น 3-6 องศา ความไม่สม่ำเสมอทั้งหมด- ความปั่นป่วนครอบงำการพาความร้อนตามธรรมชาติ การวางแนวมีความสำคัญน้อยกว่า แต่หลีกเลี่ยงแนวนอน
Fluid viscosity >1,000 cP ความลึกของถังใดๆ ก็ตาม ไม่-จุดเดือดในแนวตั้ง โดยมีความยาวตามแนวแกน 15–25 องศา ชั้นขอบเขตที่มีความหนืดจะหนาขึ้นที่ด้านบน ใช้เครื่องทำความร้อนแนวตั้งแบบสั้นหลายเครื่องแทนการใช้เครื่องทำความร้อนแบบยาวเครื่องเดียว
Quiescent tank, boiling liquid, heat flux >6 วัตต์/ซม.2 แนวตั้งเท่านั้น ไม่อนุญาตให้ใช้แนวนอน แนวแกน 8–12 องศา อาจเกิดการพุ่งขึ้นชั่วคราว ความเสี่ยงที่ฟิล์มเดือดบนควอแดรนท์ที่สูงกว่าของเครื่องทำความร้อนที่ไม่ใช่แนวตั้ง- สร้างอินเตอร์ล็อคระดับของเหลว
ถังที่มีสิ่งกีดขวางภายใน (คอยล์ แผ่นกั้น เพลากวน) ทำมุม (20–40 องศาจากแนวตั้ง) เพื่อกำจัดบริเวณที่ตื่น 10–15 องศา สิ่งกีดขวางขัดขวางการพาความร้อนตามธรรมชาติ ตรวจสอบให้แน่ใจอย่างน้อย 3× เส้นผ่านศูนย์กลางตัวทำความร้อนจากพื้นผิวแข็งใดๆ
คำแนะนำที่เป็นประโยชน์สำหรับสถานการณ์การติดตั้งเฉพาะ
วิเคราะห์รูปแบบความล้มเหลวในระบบที่มีอยู่ด้วยความล้มเหลวในการเคลือบซ้ำ ณ ตำแหน่งที่ระบุ ความร้อนสูงเกินไปเนื่องจากการปฐมนิเทศมักเป็นสาเหตุของการแตกหักหรือตุ่มพองบนพื้นผิวด้านบนของเครื่องทำความร้อนแนวนอน หากคุณแปลงเป็นตัวยึดแนวตั้งหรือเอียง คุณอาจยืดอายุการเคลือบได้สองเท่าหรือสามเท่า หากถังไม่สูงพอสำหรับเครื่องทำความร้อนแนวตั้ง ให้ใช้เครื่องทำความร้อนที่ทำมุมสั้นกว่าสองตัวแทนเครื่องทำความร้อนแนวนอนเครื่องเดียว กำลังไฟฟ้าถูกแบ่งออกเป็นหลายองค์ประกอบและการไหลของความร้อนต่อเครื่องทำความร้อนลดลง และการวางแนวเอียงยังคงช่วยให้มีการพาความร้อนเพียงพอ สำหรับขวดโหลที่มีก้นทรงกรวยหรือหัวแบบคว่ำ ให้วางเครื่องทำความร้อนให้ขนานกัน (ไม่ใช่แนวตั้ง) กับผนังภาชนะ และรักษาช่องว่างให้สม่ำเสมอที่ 5-10 ซม. การติดตั้งแบบขนานที่ทำมุมช่วยให้เครื่องทำความร้อนอยู่ในเซลล์พาความร้อนตามธรรมชาติที่เกิดจากรูปทรงของถัง หากถังชุบมีแท่งบัสและตะกร้าแอโนดซึ่งปิดกั้นการเข้าถึงในแนวตั้ง โดยทั่วไปเครื่องทำความร้อนที่ทำมุมระหว่างตะกร้าจะพอดีโดยไม่ต้องดัดแปลง ที่ระดับการทำงานขั้นต่ำของของเหลว ให้ตรวจสอบว่าครอบคลุมความยาวที่ให้ความร้อนทั้งหมดแล้ว สำหรับความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดไม่ใช่เครื่องทำความร้อนที่จมอยู่ใต้น้ำทั้งหมด แต่เป็นสถานการณ์ที่สัมผัสกับไอระเหย 10-20% สูงสุดเป็นครั้งคราว แม้แต่การที่พื้นผิวด้านบนของเครื่องทำความร้อนแนวนอนสัมผัสกับไอน้ำเพียงสั้นๆ ก็อาจทำให้เกิดความเสียหายกับจุดร้อนที่ไม่สามารถรักษาให้หายได้

สรุป: จัดลำดับความสำคัญในแนวตั้งแล้วจัดการกับการไล่ระดับสีตามเส้นรอบวง
ทิศทางของการยึดเป็นปัจจัยโดยตรงของความสม่ำเสมอของอุณหภูมิตลอดและรอบๆ เครื่องทำความร้อนที่เคลือบด้วย PFA การวางแนวในแนวตั้งจะช่วยลดความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่เสมอ เนื่องจากมีการสร้างกระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติขึ้นสม่ำเสมอขึ้นตลอดทั้งฝัก หากข้อกำหนดรูปทรงของถังหรือระยะห่างทำให้การติดตั้งในแนวตั้งทำมุมไม่ได้ การติดตั้งที่ทำมุมระหว่าง 30 องศาถึง 60 องศาจากแนวตั้งก็เป็นทางเลือกที่ยอมรับได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเส้นรอบวง 8-15 องศา ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่ชัดเจนเหนือ-ความสม่ำเสมอที่ 12-18 องศา และอันตรายจากการปกคลุมไอของการติดตั้งในแนวนอนอย่างแท้จริง การวางแนวแนวนอนถูกจำกัดเฉพาะการไหลเวียนแบบบังคับหรือฟลักซ์ความร้อนต่ำมาก (น้อยกว่า 3 วัตต์/ซม.2) โดยที่การไหลจำนวนมากแทนที่จะเป็นการลอยตัวเป็นกลไกการกำจัดความร้อนหลัก ความยาวใต้น้ำที่ต้องการควรขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งแนวตั้ง และเบี่ยงเบนไปจากเมื่อพื้นที่ทางกายภาพจำเป็นต้องให้การติดตั้งทำมุมเท่านั้น สำหรับทิศทางอื่นที่ไม่ใช่แนวตั้ง ให้ลดความหนาแน่นของวัตต์ที่แนะนำลง 15–20% เพื่อให้มีการไล่ระดับอุณหภูมิเส้นรอบวงภายใน ด้วยการระบุการวางแนวการติดตั้งในข้อกำหนดเครื่องทำความร้อนและยืนยันการปฏิบัติตามข้อกำหนดในการติดตั้งระหว่างการทดสอบการใช้งาน การเปลี่ยนแปลงภาคสนามที่แปลงการติดตั้งแนวตั้งที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีไปเป็นการกำหนดค่าแนวนอนที่เสี่ยงต่อความล้มเหลวโดยไม่ตั้งใจจะหลีกเลี่ยงได้