Zakład chemiczny wymienił grzałkę zanurzeniową PTFE w kąpieli galwanicznej po dziewięciu miesiącach pracy. Ten sam model grzejnika przetrwał cztery lata w podobnym zbiorniku w innym obiekcie. Różnica polegała na stężeniu rozpuszczonych substancji stałych. W przypadku nieudanej instalacji zastosowano kąpiel zawierającą 350 g/l rozpuszczonych soli, natomiast w przypadku udanej instalacji zastosowano kąpiel o stężeniu 120 g/l. Wyższe stężenie substancji stałych zwiększyło lepkość i zmniejszyło przewodność cieplną płynu, obniżając bezpieczną gęstość watów.
Rozpuszczone ciała stałe wpływają na przenoszenie ciepła na dwa sposoby. Zwiększają lepkość płynu, co zagęszcza termiczną warstwę graniczną na powierzchni grzejnika. Zmniejszają także przewodność cieplną płynu, co zmniejsza szybkość przepływu ciepła przez płyn. Połączony efekt to niższy współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła i wyższa temperatura powierzchni grzejnika dla dowolnej gęstości watów.
Jak rozpuszczone ciała stałe zmieniają właściwości cieczy
Wraz ze wzrostem stężenia rozpuszczonych substancji stałych płyn staje się bardziej lepki i mniej przewodzi ciepło. W przypadku większości soli wzrost lepkości jest w przybliżeniu liniowy wraz ze stężeniem. Spadek przewodności cieplnej jest mniejszy, ale nadal mierzalny.
Kąpiel galwaniczna zawierająca 300 g/l rozpuszczonych soli może mieć lepkość od dwóch do trzech razy większą niż woda w tej samej temperaturze. Przewodność cieplna może być o 10–15% niższa. Współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła, zależny od obu właściwości, może być o 25–40% niższy niż w przypadku wody.
| Rozpuszczone ciała stałe | Lepkość względna | Względna przewodność cieplna | Współczynnik konwekcji a woda | Bezpieczna gęstość watów |
|---|---|---|---|---|
| <50 g/L | 1.0–1.1× | 0.98–1.0× | 0.9–1.0× | 1,4–1,6 W/cm² |
| 50–150 g/L | 1.1–1.4× | 0.95–0.98× | 0.75–0.90× | 1,2–1,4 W/cm² |
| 150–250 g/L | 1.4–1.8× | 0.92–0.95× | 0.60–0.75× | 1,0–1,2 W/cm² |
| 250–350 g/L | 1.8–2.5× | 0.88–0.92× | 0.45–0.60× | 0,8–1,0 W/cm² |
| >350 g/L | >2.5× | <0.88× | <0.45× | 0,6–0,8 W/cm² |
Stężenie rozpuszczonych substancji stałych i jego wpływ na właściwości cieczy i bezpieczną gęstość watów
Dlaczego ten sam model grzejnika zawodzi przy dużej zawartości substancji stałych
Grzejnik pracujący z mocą 1,2 W/cm² w kąpieli o niskiej- zawartości cząstek stałych może mieć temperaturę powierzchni o 15–18 stopni wyższą od cieczy w masie. Ten sam grzejnik w kąpieli-o wysokiej zawartości cząstek stałych może mieć temperaturę powierzchni o 25–35 stopni wyższą od masy. Wyższa temperatura powierzchni przyspiesza przenikanie, utlenianie i osadzanie się kamienia.
Wyższa temperatura powierzchni zwiększa również siłę napędową osadzania. Rozpuszczone sole, które są bliskie nasycenia w temperaturze masy, mogą przekroczyć nasycenie na powierzchni grzejnika. Wytrącają się na powierzchni, tworząc warstwę kamienia, która zwiększa opór cieplny i jeszcze bardziej podnosi temperaturę powierzchni.
Praktyczne limity gęstości w watach dla kąpieli o wysokiej- zawartości części stałych
W przypadku kąpieli zawierających rozpuszczone substancje stałe powyżej 250 g/l bezpieczna gęstość watów wynosi 0,8–1,0 W/cm² w warunkach umiarkowanego mieszania. Dla kąpieli powyżej 350 g/l granica spada do 0,6–0,8 W/cm². Wartości te zakładają granicę temperatury powierzchni grzejnika wynoszącą 100–110 stopni.
| Rozpuszczone ciała stałe | Temperatura | Bezpieczna gęstość watów | Powierzchnia dla 5 kW | Oczekiwany okres użytkowania |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 stopni | 1,4 W/cm² | 3571 cm² | 4–6 lat |
| 100–200 g/L | 60 stopni | 1,2 W/cm² | 4167 cm² | 3–4 lata |
| 200–300 g/L | 60 stopni | 1,0 W/cm² | 5000 cm² | 2–3 lata |
| 300–400 g/L | 60 stopni | 0,8 W/cm² | 6250 cm² | 18–30 miesięcy |
| >400 g/L | 60 stopni | 0,6 W/cm² | 8333 cm² | 12–24 miesiące |
Bezpieczna gęstość watów i wymagania dotyczące pola powierzchni według stężenia rozpuszczonych substancji stałych
Pomiar rozpuszczonych ciał stałych
Stężenie rozpuszczonych substancji stałych można zmierzyć poprzez odparowanie próbki kąpieli i zważenie pozostałości. Pomiar należy wykonać w temperaturze roboczej lub skorygować do temperatury roboczej.
Miernik przewodności umożliwia szybkie oszacowanie zawartości rozpuszczonych substancji stałych. Przewodność koreluje ze stężeniem większości kąpieli galwanicznych. Zależność należy skalibrować dla konkretnego składu chemicznego kąpieli.
Gdy standardowe grzejniki nie są w stanie spełnić wymagań dotyczących gęstości watów
Wanny galwaniczne o wysokiej- zawartości części stałych, o wysokich wymaganiach w zakresie mocy i ograniczonej przestrzeni peryferyjnej często nie są w stanie pomieścić standardowych grzałek zanurzeniowych z PTFE przy niskiej gęstości watów wymaganej przez chemię. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o dużej powierzchni, małej gęstości watów i położeniu zoptymalizowanym-przepływu rozwiązuje pierwotną przyczynę niedopasowania gęstości watów. Proces specyfikacji wymaga stężenia rozpuszczonych substancji stałych, temperatury roboczej, wymiarów zbiornika, warunków przepływu i wymaganej mocy. W przypadku obiektów wyposażonych w wanny-o wysokiej zawartości substancji stałych to-podejście specyficzne dla danego zastosowania ogranicza degradację powłoki i wydłuża żywotność grzejnika.
