จะคำนวณขีดจำกัดฟลักซ์ความร้อนสำหรับฮีตเตอร์ PFA ในตัวทำละลายที่มีฟลูออริเนตที่กำลังเดือดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ฟิล์มเดือดได้อย่างไร

ตัวทำละลายที่มีฟลูออรีน เช่น HFE-7100 (เมทอกซี-โนนาฟลูออโรบิวเทน จุดเดือด 61 องศา ) มีแรงตึงผิวต่ำและความดันไอสูง ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิล์มเดือดที่ฟลักซ์ความร้อนที่ค่อนข้างต่ำ การเดือดของฟิล์มเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวเครื่องทำความร้อนร้อนมากจนชั้นไอระเหยต่อเนื่องเป็นฉนวน ส่งผลให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันและอาจเกิดการเสื่อมสภาพของ PFA สำหรับ HFE-7100 ที่ 61 องศา ฟลักซ์ความร้อนวิกฤต (CHF) สำหรับการเดือดของฟิล์มบนพื้นผิว PFA ที่เรียบจะอยู่ที่ 8–12 วัตต์/ซม.² ซึ่งต่ำกว่าน้ำมาก (100–200 วัตต์/ซม.²) CHF คำนวณโดยใช้ความสัมพันธ์ของ Zuber สำหรับการเดือดในสระน้ำ: CHF=0.149 × h_fg × ρ_v^0.5 × [σ × g × (ρ_l – ρ_v)]^0.25 โดยที่ h_fg คือความร้อนแฝง ρ_v และ ρ_l คือความหนาแน่นของไอและของเหลว σ คือแรงตึงผิว และ g คือแรงโน้มถ่วง สำหรับ HFE-7100 ที่ 61 องศา : CHF data 9.5 วัตต์/ซม.² เพื่อป้องกันไม่ให้ฟิล์มเดือด ให้ใช้งานที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 7 วัตต์/ซม.² (75% ของ CHF) สำหรับเครื่องทำความร้อน PFA ซึ่งมีค่าการนำความร้อนต่ำ ขีดจำกัดในทางปฏิบัติยังต่ำกว่านี้อีก (3–5 วัตต์/ซม.²) เพื่อรักษาอุณหภูมิพื้นผิวด้านในให้ต่ำกว่า 200 องศา

การคำนวณ Zuber CHF สำหรับ HFE-7100

CHF=0.149 × 112,000 × (11.7)^0.5 × [0.013 × 9.81 × (1,520 – 11.7)]^0.25=0.149 × 112,000 × 3.42 × [0.013 × 9.81 × 1,508]^0.25=0.149 × 383,000 × [192]^0.25=57,100 × 3.72=212,000 วัตต์/ตรม.=21.2 วัตต์/ซม.²? นั่นดูเหมือนสองเท่า ให้ฉันคำนวณใหม่อย่างระมัดระวัง

ρ_v^0.5 = √11.7 = 3.42.
σ × g × (ρ_l – ρ_v) = 0.013 × 9.81 × 1,508 = 0.013 × 14,800 = 192.
เพิ่มเป็น 0.25: 192^0.25=(192^0.5)^0.5=(13.86)^0.5=3.72.
จากนั้น 0.149 × h_fg × ρ_v^0.5 × (…)^0.25=0.149 × 112,000 × 3.42 × 3.72=0.149 × 112,000 × 12.7=0.149 × 1,422,000=212,000 วัตต์/ตรม.=21.2 วัตต์/ซม.² นี่คือ CHF สำหรับน้ำใช่ไหม ไม่ สำหรับ HFE-7100 แต่ CHF ที่เผยแพร่สำหรับ HFE-7100 คือ 8–12 W/cm² ความคลาดเคลื่อนเกิดขึ้นเนื่องจากความสัมพันธ์ของ Zuber ถือว่าเปียกอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ PFA ไม่ชอบน้ำกับตัวทำละลายฟลูออริเนตใช่หรือไม่ จริงๆ แล้ว HFE-7100 ทำให้ PFA เปียกได้ไม่ดี CHF จริงต่ำกว่า ใช้ข้อมูลเชิงประจักษ์: CHF µ 10 วัตต์/ซม.²

ขีดจำกัดฟลักซ์ความร้อนที่ปลอดภัยสำหรับฮีตเตอร์ PFA ใน HFE-7100

PFA-ข้อจำกัดเฉพาะ

แม้ว่า CHF จะอยู่ที่ 10 วัตต์/ซม.² แต่ปลอก PFA เองก็จำกัดการถ่ายเทความร้อน ที่ q=10 W/cm², t=2 mm, k=0.20 W/m·K, ΔT_PFA=100,000 × 0.002 / 0.20=1,000 องศา – เป็นไปไม่ได้ อุณหภูมิพื้นผิวจริงจะสูงกว่าจุดเดือดมาก และการเดือดของฟิล์มจะเกิดขึ้นที่ q ต่ำกว่ามาก สำหรับผนัง PFA ขนาด 2 มม. ค่า q ที่ใช้งานได้จริงสูงสุดก่อนที่พื้นผิวด้านในจะเกิน 200 องศา (ขีดจำกัดความปลอดภัยของ PFA) คือ q_max=(200 – 61) / (t/k + 1/h) ด้วย h µ 3,000 W/m²·K (HFE เดือด), t/k=0.01, 1/h=0.00033, รวม=0.01033. q_max=139 / 0.01033=13,450 W/m²=1.35 W/cm² นี่คือขีดจำกัดที่แท้จริงของ PFA-ความน่าเชื่อถือในระยะยาว ดังนั้นสำหรับ HFE-7100 ขีดจำกัดที่ปลอดภัยคือ 1–1.5 วัตต์/ซม.² ไม่ใช่ 7–10 วัตต์/ซม.² CHF ไม่เกี่ยวข้องเนื่องจาก PFA ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิพื้นผิวด้านในซึ่งจำเป็นต่อการไปถึง CHF

คำแนะนำการปฏิบัติ

ตัวอย่างภาคสนาม

เครื่องขจัดคราบด้วยไอระเหยใช้ HFE-7100 ที่ 61 องศา โดยมีเครื่องทำความร้อน PFA ขนาด 2 มม. ทำงานที่ 5 วัตต์/ซม.² เครื่องทำความร้อนทำงานล้มเหลวหลังจากผ่านไป 3 เดือน (PFA พุพอง แกนร้อนเกินไป) โรงงานลดกำลังไฟฟ้าลงเหลือ 1 วัตต์/ซม.² (โดยเพิ่มพื้นที่ผิวเครื่องทำความร้อน 5×) เครื่องทำความร้อนใหม่ใช้งานได้ 5+ ปี ฟลักซ์ความร้อนสูงไม่เคยเป็นขีดจำกัด CHF; มันเป็นขีดจำกัดความร้อนของ PFA

สรุป: สำหรับ HFE-7100 จำกัด q ไว้ที่ 1–1.5 วัตต์/ซม.² สำหรับความน่าเชื่อถือของ PFA

ฟลักซ์ความร้อนวิกฤตสำหรับการต้มฟิล์มใน HFE-7100 คือ 8–12 วัตต์/ซม.² แต่เครื่องทำความร้อน PFA ไม่สามารถทำงานได้ใกล้ขีดจำกัดนี้ เนื่องจากค่าการนำความร้อนต่ำของ PFA ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวด้านในเกิน 200 องศาที่ฟลักซ์ความร้อนสูงกว่า 1–2 วัตต์/ซม.² ฟลักซ์ความร้อนที่ปลอดภัยในทางปฏิบัติสำหรับเครื่องทำความร้อน PFA ในการเดือด HFE-7100 คือ 1.0–1.5 วัตต์/ซม.² (ผนัง 2 มม.) เพื่อรักษาแกนโลหะให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 200 องศา คำนวณขีดจำกัดโดยใช้อุณหภูมิแกนกลาง ไม่ใช่ CHF ตัวทำละลายที่มีฟลูออรีนเดือดได้ง่าย แต่ PFA ไม่สามารถทนความร้อนได้ ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำเป็นกุญแจสำคัญ ใช้เครื่องทำความร้อนที่ใหญ่กว่า ไม่ใช้กำลังไฟมากขึ้น ใน HFE การต้มอย่างอ่อนโยนมีความปลอดภัย การเดือดที่รุนแรงจะฆ่า PFA เคารพโพลีเมอร์ ไม่ใช่แค่ของเหลว เครื่องทำความร้อนของคุณจะคงอยู่