Roztwory chemiczne o wysokiej-lepkości stwarzają inny problem z ogrzewaniem niż kąpiele o niskiej{{1}lepkości. Grzejnik może osiągnąć wymaganą moc elektryczną, ale zbiornik może nadal wykazywać powolny powrót temperatury lub duże różnice temperatur pomiędzy obszarem grzejnika a resztą cieczy.
DlaGrzałka zanurzeniowa z PTFElepkość wpływa na skuteczność odprowadzania ciepła z powierzchni grzewczej. Dlatego moc grzejnika, powierzchnię czynną, cyrkulację, pozycję montażową i geometrię zbiornika należy rozpatrywać łącznie.
Dlaczego lepkość zmienia wydajność grzewczą
Kiedy ciecz staje się bardziej lepka, wzrasta jej opór przepływu. Konwekcja naturalna może się osłabić, a cyrkulacja pomp lub mieszadeł może również stać się mniej skuteczna.
Przenoszenie ciepła z grzałki zanurzeniowej można uprościć w następujący sposób:
Q=hAΔT
GdzieQjest przenoszonym ciepłem,hto efektywny współczynnik-przenikania ciepła,Ajest aktywną powierzchnią grzewczą, orazΔTjest różnicą temperatur pomiędzy powierzchnią grzewczą a otaczającą cieczą.
Gdy przepływ cieczy wokół grzejnika jest ograniczony,hmoże się zmniejszyć. Do przeniesienia tej samej ilości ciepła może być wówczas wymagana większa różnica temperatur.
Wysoka lepkość może utworzyć gorącą warstwę wokół grzejnika
Roztwór o wysokiej-lepkości może powoli oddalać się od powierzchni grzejnika.
Ciecz bezpośrednio otaczająca grzejnik może zatem stać się znacznie cieplejsza niż roztwór masowy.
Stwarza to dwa problemy.
Pierwszą z nich jest niejednorodność-temperatury. Drugim jest zwiększone obciążenie termiczne powierzchni grzejnika.
Czujnik zbiornika umieszczony daleko od grzejnika może w dalszym ciągu pokazywać temperaturę poniżej wartości docelowej, nawet jeśli ciecz bezpośrednio otaczająca powierzchnię grzejną jest już znacznie gorętsza.
Samo zwiększenie mocy grzejnika może pogorszyć ten stan.
Powierzchnia grzewcza staje się coraz ważniejsza
Średni strumień ciepła powierzchni grzewczej można oszacować za pomocą:
q = P/A
GdziePto energia elektryczna iAjest aktywną powierzchnią grzewczą.
Rozważmy przykładowe zapotrzebowanie na ogrzewanie wynoszące 10 kW:
| Konfiguracja | Moc | Aktywna powierzchnia grzewcza | Średni strumień ciepła |
|---|---|---|---|
| Kompaktowy grzejnik | 10 kW | 0.50 m² | 20 kW/m² |
| Średnio-grzejnik powierzchniowy | 10 kW | 0.80 m² | 12,5 kW/m² |
| Rozproszony grzejnik | 10 kW | 1.20 m² | 8,3 kW/m² |
Liczby te mają charakter przykładowych obliczeń, a nie uniwersalnych dopuszczalnych wartości roboczych PTFE.
Zwiększanie obszaru aktywnego może rozprowadzić tę samą moc elektryczną na większej powierzchni. To, czy poprawia to rzeczywistą wydajność procesu, zależy od cyrkulacji, właściwości chemicznych, geometrii grzejnika i wymiarów zbiornika.
Zmiany temperatury mogą wpływać na lepkość
Wiele cieczy chemicznych staje się mniej lepkich wraz ze wzrostem temperatury.
Stwarza to ważną dynamikę podczas uruchamiania.
Na początku ogrzewania roztwór może być stosunkowo lepki, a cyrkulacja może być słaba. Wraz ze wzrostem temperatury lepkość może się zmniejszyć, a ruch płynu może się poprawić.
Dlatego system grzewczy może zachowywać się inaczej podczas uruchamiania i-pracy w stanie ustalonym.
Grzejnik dobierany wyłącznie w-stanach ustalonych może zapewniać niewystarczającą wydajność rozruchu, jeśli lepkość początkowa jest znacznie wyższa.
Cyrkulacja mechaniczna musi być dostosowana do płynu
W przypadku roztworów o wysokiej-lepkości może być konieczna cyrkulacja mechaniczna, aby przenieść ciepło przez zbiornik.
Jednak sama nominalna wydajność pompy nie gwarantuje efektywnego przekazywania ciepła.
Ścieżka przepływu powinna dotrzeć do strefy grzewczej i transportować podgrzaną ciecz w kierunku zimniejszych części zbiornika.
System cyrkulacji omijający grzejnik może charakteryzować się wysokim całkowitym natężeniem przepływu, a jednocześnie zapewniać słaby lokalny transfer ciepła.
Dlatego też położenie mieszadła, wlot pompy, miejsce tłoczenia, wewnętrzne rurociągi i umiejscowienie podgrzewacza należy oceniać jako kompletny system.
Pozycja grzejnika może zmniejszyć strefy zastoju
W grzejniku zainstalowanym w rogu lub blisko ściany zbiornika może wystąpić słaba wymiana cieczy.
W przypadku roztworów lepkich problem ten może być bardziej wyraźny.
Idealnie, aktywna powierzchnia grzewcza powinna być umieszczona tam, gdzie cyrkulacja dociera do grzejnika z wielu kierunków lub gdzie przepływ procesowy jest celowo kierowany przez strefę grzewczą.
Odległość od dna i ścian zbiornika powinna również uwzględniać osady, osady i dostęp konserwacyjny.
Czas ogrzewania można oszacować na podstawie właściwości płynu
Załóżmy, że zbiornik zawiera 600 kg roztworu chemicznego o wysokiej-lepkości i o cieple właściwym 2,8 kJ/(kg·K). Wymagany wzrost temperatury wynosi 40 stopni.
Rozsądna energia cieplna wynosi:
Q=mcΔT
Q=600 × 2,8 × 40=67,200 kJ
Odpowiada to około 18,7 kWh.
W przypadku grzejnika o mocy 12 kW idealny-rozsądny czas ogrzewania wynosiłby w przybliżeniu:
18,7 ÷ 12=1.56 godz
Rzeczywisty czas nagrzewania będzie dłuższy ze względu na utratę ciepła w zbiorniku, rurociągi, parowanie, obciążenie przedmiotu obrabianego i inne efekty termiczne.
Przykład pokazuje również, dlaczego przy wyborze grzejnika należy uwzględnić rzeczywistą pojemność cieplną właściwą roztworu chemicznego, a nie zakładać właściwości wody.
Moc powinna odpowiadać rzeczywistym-warunkom przekazywania ciepła
W przypadku kąpieli o wysokiej-lepkości wybranie grzejnika o nadmiernej mocy może stworzyć trudne środowisko termiczne.
Lepszym podejściem jest zrównoważenie:
Wymagana szybkość ogrzewania
Aktywna powierzchnia grzewcza
Średni strumień ciepła
Wydajność cyrkulacyjna
Lepkość kąpieli
Temperatura robocza
Geometria zbiornika
Wymóg jednorodności temperatury
Celem nie jest po prostu maksymalna moc grzewcza. Użytecznym celem jest wystarczający transfer ciepła bez nadmiernej lokalnej koncentracji ciepła.
Jakie informacje należy uwzględnić w zamówieniu?
Zastosowanie środka chemicznego o wysokiej-lepkości powinno zapewnić:
Skład chemiczny
Lepkość w temperaturze początkowej
Lepkość w temperaturze roboczej
Specyficzna pojemność cieplna
Gęstość
Temperatura docelowa
Wymagany czas nagrzewania
Wymiary zbiornika
Metoda cyrkulacyjna
Minimalny poziom cieczy
Wymagana moc grzałki
Dostępne zasilanie elektryczne
Informacje te pozwalają aGrzałka zanurzeniowa z PTFEnależy projektować w oparciu o rzeczywiste zachowanie płynu, a nie uproszczone założenia oparte- na wodzie.
W przypadku szczególnie lepkich roztworów, ograniczonej cyrkulacji, głębokich zbiorników lub dużych obciążeń grzewczych, dostosowana powierzchnia grzewcza i geometria grzejnika mogą zapewnić lepszą dystrybucję ciepła. Ostateczna konfiguracja powinna równoważyć strumień ciepła, cyrkulację, głębokość zanurzenia i temperaturę procesu, aby uzyskać stabilne ogrzewanie w całym zbiorniku chemikaliów.
