Zbiornik na chemikalia może zawierać tę samą objętość cieczy, ale zachowywać się bardzo różnie w zależności od partii produkcyjnej. Zmiany stężenia substancji chemicznych mogą zmienić gęstość cieczy, lepkość, pojemność cieplną i cyrkulację. Zmiany te bezpośrednio wpływają na sposób, w jaki aGrzałka zanurzeniowa z PTFEprzekazuje ciepło do wanny.
Dlatego inżynierowie dokonujący doboru urządzeń grzewczych powinni uwzględniać gęstość cieczy łącznie ze stężeniem i właściwościami termicznymi, a nie traktować ją jako odrębną specyfikację.
Gęstość zmienia rzeczywistą podgrzewaną masę
Pojemność zbiornika wyrażana jest zazwyczaj w litrach lub metrach sześciennych, natomiast obliczenia ogrzewania zależą od masy.
Podstawowa zależność to:
m = ρV
Gdziemjest masą płynną,ρjest gęstością iVto objętość cieczy.
Na przykład zbiornik o pojemności 1000 l zawierający roztwór o gęstości 1,20 kg/l zawiera około 1200 kg cieczy.
Jeśli w tym samym zbiorniku znajduje się roztwór o niższej-gęstości wynoszącej 1,00 kg/l, masa cieczy wynosi tylko około 1000 kg.
Różnica ta wpływa na ilość energii potrzebnej do podniesienia temperatury kąpieli.
W przypadku ogrzewania rozsądnego:
Q=mcΔT
Dlatego dwie ciecze zajmujące tę samą objętość zbiornika mogą wymagać różnej energii grzewczej, gdy różnią się ich gęstością i właściwą pojemnością cieplną.
Sama gęstość nie determinuje wymiany ciepła
Powszechnym nieporozumieniem inżynierskim jest założenie, że wyższa gęstość automatycznie oznacza gorszą lub lepszą wymianę ciepła.
Gęstość to tylko jedna część-obrazu właściwości płynu.
Na wymianę ciepła wokół grzałki zanurzeniowej PTFE wpływa także lepkość, ciepło właściwe, przewodność cieplna, prędkość cieczy, geometria grzejnika i różnica temperatur.
Uproszczona zależność to:
Q=hAΔT
Tutaj,hreprezentuje efektywny współczynnik przenikania ciepła-iAreprezentuje aktywny obszar ogrzewania.
Gęstość może wpływać na zachowanie płynu, ale nie określa bezpośrednio wartościh. Ruch płynu i lepkość mogą być równie ważne.
Skoncentrowane roztwory mogą jednocześnie zmieniać kilka właściwości
W wielu procesach chemicznych gęstość wzrasta wraz ze wzrostem stężenia rozpuszczonych substancji chemicznych. Jednocześnie może zmienić się lepkość i pojemność cieplna właściwa.
Tworzy to łączony efekt projektowy.
Stężony roztwór może zawierać więcej masy na jednostkę objętości, zwiększając jawne-obciążenie grzewcze. Jeśli lepkość również wzrośnie, cyrkulacja wokół grzejnika może stać się mniej skuteczna.
Rezultatem może być proces, w którym ta sama nominalna moc grzejnika powoduje inną reakcję temperaturową po zmianie stężenia substancji chemicznej.
Z tego powodu obliczenia ogrzewania oparte wyłącznie na objętości zbiornika mogą stać się niedokładne w przypadku stężonych roztworów chemicznych.
Dlaczego powierzchnia grzejnika nadal ma znaczenie
Załóżmy, że proces wymaga 12 kW mocy grzewczej.
Kompaktowy grzejnik z małą powierzchnią aktywną i dłuższy grzejnik z większą powierzchnią aktywną mogą zapewnić elektrycznie 12 kW. Jednak ich średni powierzchniowy strumień ciepła będzie się różnić.
Uproszczone obliczenia to:
q = P/A
Gdzieqjest średnim strumieniem ciepła.
Rozważ dwie ilustracyjne konfiguracje:
| Układ grzejników | Moc | Aktywna powierzchnia grzewcza | Średni strumień ciepła |
|---|---|---|---|
| Kompaktowa konfiguracja | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² |
| Konfiguracja rozproszona | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² |
Wartości te mają charakter poglądowy i nie stanowią uniwersalnych ograniczeń roboczych PTFE.
Rozproszony układ może zapewnić niższy średni strumień ciepła powierzchniowego, ale rzeczywista wydajność nadal zależy od cyrkulacji, geometrii instalacji, składu chemicznego kąpieli i konstrukcji grzejnika.
Ruch cieczy może stać się czynnikiem ograniczającym
Gdy gęsty lub lepki roztwór chemiczny porusza się powoli, ciepło może gromadzić się wokół powierzchni grzejnika szybciej, niż jest transportowane do otaczającej kąpieli.
Może to spowodować lokalną różnicę temperatur pomiędzy cieczą znajdującą się bezpośrednio wokół grzejnika a roztworem masowym.
Czujnik temperatury zbiornika może w dalszym ciągu zgłaszać żądaną średnią temperaturę, podczas gdy na powierzchni grzejnika panują zasadniczo odmienne warunki.
Dlatego mieszanie mechaniczne, cyrkulację pompy, rozstaw grzejników i miejsce instalacji należy oceniać łącznie.
W przypadku dużych zbiorników na chemikalia rozmieszczenie stref grzewczych może również pomóc uniknąć koncentrowania obciążenia termicznego w jednym regionie.
Gęstość powinna być uwzględniana w obliczeniach czasu-ogrzewania
Rozważmy przykładowy roztwór chemiczny o pojemności 1500 l i gęstości 1,15 kg/l. Przybliżona masa cieczy wynosi:
m=1.15 × 1,500=1,725 kg
Jeżeli przyjąć, że ciepło właściwe wynosi 3,2 kJ/(kg·K), a wymagany wzrost temperatury wynosi 30 stopni:
Q=1,725 × 3,2 × 30=165,600 kJ
Odpowiada to około 46 kWh jawnej energii grzewczej.
W idealnych warunkach grzejnik o mocy 20 kW teoretycznie wymagałby około 2,3 godziny. Rzeczywisty czas nagrzewania byłby dłuższy, ponieważ ściany zbiornika, rurociągi, przedmioty obrabiane, parowanie i straty ciepła z otoczenia również zużywają energię.
Obliczenia pokazują, dlaczego przy szacowaniu wydajności grzewczej należy uwzględnić gęstość i ciepło właściwe.
Jakie dane należy podać przy doborze grzejnika?
W procesie chemicznym z wykorzystaniem aGrzałka zanurzeniowa z PTFE, przydatne informacje o płynach obejmują:
Gęstość cieczy lub ciężar właściwy
Stężenie chemiczne
Specyficzna pojemność cieplna
Lepkość
Przewodność cieplna, jeśli jest dostępna
Zakres temperatur pracy
Wymagana szybkość ogrzewania
Metoda cyrkulacji lub mieszania
Normalny i minimalny poziom cieczy
Wymiary zbiornika
Dlatego też gęstość najlepiej traktować jako część szerszego-profilu właściwości termicznych.
Gdy gęstość zmienia się znacząco wraz ze stężeniem substancji chemicznych, dobór grzejnika należy sprawdzić w rzeczywistym zakresie roboczym, a nie w oparciu o pojedyncze warunki nominalne. Połączenie właściwości płynu z powierzchnią grzewczą, rozkładem mocy, cyrkulacją i geometrią zbiornika zapewnia bardziej niezawodną podstawę doboru grzałki zanurzeniowej PTFE i niestandardowego projektu przemysłowego.
