20% 塩酸溶液を 85 度で加熱するために使用される PFA (パーフルオロアルコキシ) シーズ ヒーターでは、表面粗さ (Ra 0.2 μm 対 . 1.0 μm) は気泡の核生成密度と核沸騰の臨界熱流束をどのように変化させますか?

85 度の 20% 塩酸中での PFA シース ヒーターは核沸騰状態にあります。粗い表面 (Ra 1.0 μm) により、気泡核生成サイト密度 10,000 ～ 50,000 サイト/cm 2、気泡離脱直径 0.2 ～ 0.5 mm、臨界熱流束 (CHF) 150 ～ 200 kW/m 2 . 表面が滑らか (Ra 0.2 μm) 核生成サイト密度 500 ～ 2,000サイト/cm 2 より大きな気泡離脱直径 0.8 ～ 1.5 mm より低い CHF 80 ～ 120 kW/m 2 粗い表面により、熱輸送が 30 ～ 50% 増加し、膜沸騰が発生する前に出力密度が増加します。

表面粗さにおける気泡発生メカニズム

表面空洞は核形成の場所です。活性サイトの数は、粗さが増加するにつれて増加します。気泡の離脱直径は、気泡の合体と容易な分離により、サイト密度とともに減少します。表面が長時間濡れているため、CHF はサイト密度に応じて変化します。

定量的熱伝達とRa

表面粗さ Ra (μm) 核生成サイト密度 (サイト/cm2) 気泡離脱直径 (mm) CHF (kW/m2) 熱伝達係数 (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
表面粗さ選定ガイド

予想される CHF (kW/m2) 推奨 Ra (µm) 望ましい伝熱性能 沸騰した HCl に推奨
低い（滑らかで掃除が簡単） 0.2 80-120 いいえ
中 0.5 120-160 はい
高 (最適化) 1.0 150-200 はい
非常に高い（汚れの可能性あり） 2.0 180-220 限定的
自信を持って指定する

核沸騰熱伝達を向上させるために、85 度で沸騰している HCl 中での PFA ヒーターの表面粗さは Ra 0.5 ～ 1.0 μm であることが推奨されます。エンジニアは表面粗さを操作することでヒーター効率を制御します。