Podczas przetwarzania chemicznego płyta grzewcza może osiągnąć temperaturę znamionową, podczas gdy roztwór procesowy trudno jest równomiernie ogrzać. Sytuacja ta staje się bardziej zauważalna, gdy ciecz ma dużą lepkość, ponieważ ciepło nie przepływa przez zbiornik tak łatwo, jak w roztworze o niskiej-lepkości.
Rezultatem może być powolne nagrzewanie, rozwarstwienie temperatury i ciepły obszar bezpośrednio nad płytą grzewczą.
W przypadku roztworów chemicznych o wysokiej-lepkości stabilne ogrzewanie zależy od zależności pomiędzymoc płyty grzewczej, powierzchnia, ruch cieczy, lepkość i różnica temperatur.
Dlaczego lepkość zmienia zachowanie podczas ogrzewania
Gdy lepkość cieczy wzrasta, konwekcja naturalna słabnie, ponieważ ciecz ma większy opór ruchu.
Płyta grzewcza przenosi energię na powierzchnię cieczy w pobliżu płyty. W roztworze o niskiej-lepkości podgrzana ciecz może stosunkowo łatwo unosić się i mieszać. W lepkim roztworze podgrzana warstwa może dłużej pozostać w pobliżu płyty.
Tworzy to termiczną warstwę graniczną, która ogranicza dystrybucję ciepła.
Płyta grzewcza może zatem działać normalnie, podczas gdy górna część zbiornika pozostaje znacznie chłodniejsza.
Zwiększenie mocy elektrycznej może przyspieszyć lokalne ogrzewanie, ale niekoniecznie rozwiązuje problem cyrkulacji.
Powierzchnia może być ważniejsza niż większa moc
Strumień ciepła powierzchni płyty grzewczej wyraża się wzorem:
q'' = Q / A
GdzieQto moc grzewcza iAto efektywna powierzchnia grzewcza.
Przy tym samym obciążeniu cieplnym zwiększenie powierzchni aktywnej zmniejsza średni strumień ciepła.
Może to być przydatne w przypadku lepkich cieczy, ponieważ większa powierzchnia grzewcza rozprowadza ciepło na większym obszarze. Lokalna temperatura cieczy może być łatwiejsza do kontrolowania w porównaniu z małą-płytą grzejną o dużej mocy.
Kompaktowa płyta może być nadal odpowiednia, gdy przestrzeń w zbiorniku jest ograniczona, ale jej wymagania dotyczące gęstości mocy i cyrkulacji wymagają dokładniejszej oceny.
Cyrkulacja określa jednorodność temperatury
Roztwory o wysokiej-lepkości często wymagają celowej cyrkulacji, a nie polegania wyłącznie na naturalnej konwekcji.
Przepływ pompy należy oceniać łącznie z właściwościami cieczy i geometrią zbiornika. Nominalna wydajność pompy nie gwarantuje równomiernego ruchu wokół płyty grzewczej.
Martwe strefy mogą występować w pobliżu ścian zbiorników, narożników, armatury wewnętrznej lub dna głębokich zbiorników.
Płytę grzewczą należy umieścić w miejscu, w którym ruch cieczy może skutecznie usunąć ciepło z powierzchni aktywnej.
| Stan płynny | Zachowanie cyrkulacyjne | Reakcja na ogrzewanie | Priorytet projektu |
|---|---|---|---|
| Niska lepkość | Łatwy ruch cieczy | Szybkie wyrównanie temperatury | Obieg standardowy |
| Umiarkowana lepkość | Zredukowana konwekcja | Łagodny gradient termiczny | Odpowiedni przepływ |
| Wysoka lepkość | Słabe naturalne krążenie | Lokalna ciepła strefa | Wymuszony obieg |
| Wysoka lepkość + niski przepływ | Bardzo ograniczona dystrybucja ciepła | Silne rozwarstwienie temperaturowe | Zmniejsz strumień ciepła i popraw przepływ |
| Wysoka lepkość + osady | Ograniczony obieg | Szybki wzrost oporu cieplnego | Kontrola zabrudzeń |
Warunki te pokazują, dlaczego lepkość powinna być uwzględniana przy wyborze płyty grzewczej, a nie traktowana jako drugorzędny szczegół procesu.
Zmiany temperatury wpływają również na lepkość
Ważną cechą wielu roztworów chemicznych jest to, że lepkość maleje wraz ze wzrostem temperatury.
Tworzy to dynamiczny proces ogrzewania.
Podczas uruchamiania zimny roztwór może mieć stosunkowo wysoką lepkość i słabą cyrkulację. Gdy płyta grzewcza podniesie temperaturę, cyrkulacja roztworu może stać się łatwiejsza, co poprawi dystrybucję ciepła.
Oznacza to, że warunki rozruchu mogą być bardziej wymagające niż praca w stanie ustalonym.
Dlatego płyta grzewcza dobrana tylko pod kątem końcowych warunków pracy może powodować nieoczekiwanie powolne-nagrzewanie lub lokalną nadmierną temperaturę podczas uruchamiania.
Konstrukcja PTFE wymaga równowagi termicznej
Płyty grzewcze z PTFE mogą być przydatne w przypadku żrących roztworów chemicznych, ponieważ PTFE zapewnia dużą odporność chemiczną.
Jednakże PTFE ma niższą przewodność cieplną niż wiele materiałów metalicznych. Warstwa ochronna przyczynia się zatem do zwiększenia oporu cieplnego pomiędzy elementem grzejnym a cieczą procesową.
W przypadku lepkich roztworów chemicznych szczególnie ważna jest powierzchnia grzewcza i gęstość mocy.
Konstrukcja o wystarczającej powierzchni i kontrolowanym strumieniu ciepła może pomóc w utrzymaniu stabilnych warunków powierzchniowych, podczas gdy nadmierna koncentracja mocy może zwiększyć różnicę temperatur pomiędzy powierzchnią grzewczą a otaczającą cieczą.
Należy także sprawdzić zgodność chemiczną w rzeczywistej temperaturze roboczej i stężeniu.
Jak można osiągnąć stabilne ogrzewanie?
Kilka środków konstrukcyjnych i operacyjnych może poprawić stabilność temperatury:
Użyj wystarczającej powierzchni grzewczej.
Unikaj niepotrzebnie dużego strumienia ciepła powierzchniowego.
Zapewnij cyrkulację w pobliżu płyty grzewczej.
Rozważ lepkość w temperaturze początkowej.
Umieść czujniki temperatury z dala od zlokalizowanych gorących stref.
Utrzymuj stały poziom cieczy.
Monitoruj stężenie substancji chemicznych i zanieczyszczenie.
Zapewnij odpowiedni dostęp konserwacyjny.
W przypadku zbiorników dużych lub o dużej lepkości wiele stref grzewczych może zapewnić lepszą kontrolę niż jedno skoncentrowane źródło ogrzewania.
Niezależna kontrola różnych stref może również zmniejszyć niepotrzebne nagrzewanie w obszarach, w których temperatura cieczy jest już bliska temperatury docelowej.
Należy jeszcze obliczyć obciążenie cieplne
Dobór płyty grzewczej należy rozpocząć od rzeczywistego zapotrzebowania cieplnego.
Uproszczone obliczenia ciągłego obciążenia-:
Q=ṁCpΔT + Qstrata
Gdzieṁto natężenie przepływu cieczy,Kpjest ciepłem właściwym,ΔTjest wymaganym wzrostem temperatury, orazQlossreprezentuje straty ciepła.
Obliczone obciążenie należy następnie ocenić pod kątem lepkości, cyrkulacji, powierzchni grzewczej i dopuszczalnego strumienia ciepła.
Zapobiega to częstemu błędowi: wybieraniu-płyty grzewczej o dużej mocy, aby kompensować słaby ruch cieczy.
Bardziej niezawodna strategia selekcji
Płyta grzewcza może utrzymać stabilną temperaturę w roztworach chemicznych-o dużej lepkości, jeśli warunki termiczne i hydrauliczne są odpowiednio dobrane.
Krytyczna równowaga jest pomiędzymoc grzewcza i dystrybucja ciepła. Wyższa moc jest przydatna do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepło, ale nadmierna gęstość mocy może intensyfikować lokalne różnice temperatur, gdy cyrkulacja jest słaba.
W przypadku przemysłowych zbiorników na chemikalia przed ostatecznym wyborem należy określić lepkość zarówno przy rozruchu, jak i w temperaturze roboczej, szybkość cyrkulacji, geometrię zbiornika, stężenie chemikaliów, wymagany czas ogrzewania i powierzchnię płyty grzewczej.
Takie podejście zapewnia bardziej niezawodną podstawę do wyboru mocy, wymiarów, konstrukcji PTFE i stref kontrolnych płyty grzejnej, aby zapewnić stabilną, długoterminową-pracę.
