Zakład chemiczny obsługiwał zbiornik procesowy o pojemności 2500-litr, który miał 2200 mm wysokości i 1200 mm średnicy. Grzałkę zanurzeniową z PTFE zamontowano pionowo wzdłuż ściany zbiornika. Nagrzewnica uległa awarii już po siedmiu miesiącach pracy, a pęcherze skoncentrowały się w górnej jednej trzeciej części ogrzewanej. Zbiornik nie miał mieszania mechanicznego – rozprowadzanie ciepła opierało się na naturalnej konwekcji. Rozwarstwienie termiczne, które powstało w wysokim zbiorniku, utworzyło warstwę gorącą na górze i warstwę chłodną na dole, a górna część grzejnika pracowała w warstwie gorącej.
Rozwarstwienie termiczne ma miejsce, gdy w płynie tworzą się stabilne warstwy o różnych temperaturach. Warstwy nie mieszają się, ponieważ cieplejszy, mniej gęsty płyn pozostaje na wierzchu chłodniejszego, gęstszego płynu. W wysokim zbiorniku ze słabą cyrkulacją rozwarstwienie może być poważne.
Dlaczego wysokie czołgi stratyfikacji
Stratyfikacja jest napędzana przez pływalność. Gdy grzałka zanurzeniowa z PTFE podgrzewa płyn w pobliżu ścianki zbiornika, ogrzany płyn unosi się. W krótkim zbiorniku unoszący się płyn szybko dociera do powierzchni i rozprzestrzenia się, mieszając się z masą. W wysokim zbiorniku rosnący płyn tworzy na górze stabilną warstwę. Warstwa pogłębia się w miarę gromadzenia się większej ilości podgrzanego płynu.
Różnica temperatur pomiędzy górną i dolną warstwą może osiągnąć 15–25 stopni w wysokim zbiorniku bez mieszania. Górna warstwa jest cieplejsza i mniej gęsta. Dolna warstwa jest chłodniejsza i gęstsza. Granica pomiędzy warstwami stanowi stabilną granicę, która jest odporna na mieszanie.
| Wysokość zbiornika | Stosunek wysokości-do-średnicy | Naturalne mieszanie konwekcyjne | Od góry-do-od dołu ΔT | Ryzyko stratyfikacji |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Dobry | 3–6 stopni | Niski |
| 1000–1500 mm | 1:1 do 1,5:1 | Umiarkowany | 6–12 stopni | Umiarkowany |
| 1500–2000 mm | 1,5:1 do 2:1 | Słaby | 12–18 stopni | Wysoki |
| >2000 mm | >2:1 | Bardzo biedny | 18–25 stopni | Bardzo wysoki |
Wysokość zbiornika i ryzyko stratyfikacji w zbiornikach procesowych
Dlaczego stratyfikacja skraca żywotność grzejnika PTFE
Nagrzewnica pracuje w środowisku warstwowym. Dolna część grzejnika znajduje się w chłodniejszym, gęstszym płynie. Górna część znajduje się w cieplejszym, mniej gęstym płynie. Górna część pracuje w wyższej temperaturze niż dolna część.
Wyższa temperatura przyspiesza każdy mechanizm degradacji. Przenikanie, utlenianie i osadzanie się kamienia zwiększają się wraz z temperaturą. Górna część grzejnika ulega degradacji szybciej niż dolna część. Pęcherze skupiają się na górze.
Rozwarstwienie zmniejsza również siłę napędową wymiany ciepła. Płyn w górnej części zbiornika jest już ciepły, więc różnica temperatur pomiędzy grzałką a płynem jest mniejsza. Grzejnik musi pracować cieplej, aby dostarczyć to samo ciepło, co jeszcze bardziej przyspiesza degradację.
Dlaczego naturalna konwekcja nie może pokonać stratyfikacji
Konwekcja naturalna jest napędzana różnicą gęstości pomiędzy ogrzanym płynem a chłodniejszym płynem. W wysokim zbiorniku różnica gęstości nie jest wystarczająco duża, aby pokonać stabilne nawarstwianie. Ogrzany płyn unosi się i pozostaje na górze. Nie miesza się z płynem chłodniczym poniżej.
W miarę wzrostu różnicy temperatur rozwarstwienie staje się bardziej stabilne. Różnica 15 stopni pomiędzy górną i dolną warstwą tworzy różnicę gęstości, która jest odporna na mieszanie. Warstwy pozostają stabilne, dopóki mechaniczne mieszanie lub zaburzenie ich nie rozerwie.
Zapobieganie stratyfikacji w wysokich zbiornikach
Najbardziej skuteczną profilaktyką jest mieszanie mechaniczne. Pompa obiegowa, eduktor lub rura bełkotliwa mogą rozbić stabilne warstwy i wymieszać zbiornik. Mieszanie musi być wystarczające, aby w rozsądnym czasie obrócić objętość zbiornika. W przypadku większości zbiorników procesowych wystarczająca jest prędkość obrotu 2–4 razy na godzinę.
Grzejnik o niższej gęstości mocy zmniejsza różnicę temperatur pomiędzy grzejnikiem a płynem. Niższa temperatura powierzchni zmniejsza-rozwarstwienie spowodowane wyporem i spowalnia degradację górnej części grzejnika.
Wiele grzejników rozmieszczonych na różnych wysokościach w zbiorniku zapewnia bardziej równomierne ogrzewanie i zmniejsza gradient temperatury. Grzejniki na dole podgrzewają chłodniejszy płyn, a grzejniki na górze utrzymują cieplejszy płyn. Rezultatem jest bardziej jednolity profil temperatury.
| Środek zapobiegawczy | Wpływ na stratyfikację | Realizacja | Koszt |
|---|---|---|---|
| Mieszanie mechaniczne | Rozbija warstwy | Pompa, eduktor lub bełkotka | Umiarkowany |
| Niższa gęstość watów | Zmniejsza pływalność | Projekt grzejnika | Umiarkowany |
| Wiele grzejników na różnych wysokościach | Jednolite ogrzewanie | Układ grzejnika | Wyższy |
| Izolacja zbiornika | Zmniejsza straty ciepła | Izolacja | Umiarkowany |
Środki zapobiegawcze w przypadku stratyfikacji termicznej w wysokich zbiornikach procesowych
Kiedy stratyfikacja wskazuje na problem projektowy
Wysoki zbiornik, który rozwarstwia się pomimo mieszania mechanicznego, wskazuje, że mieszanie nie osiąga pełnej objętości zbiornika lub że układ grzałek nie jest dostosowany do geometrii zbiornika. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE z wieloma grzałkami na różnych wysokościach, niższą gęstością watów i układem zoptymalizowanym-przepływ eliminuje pierwotną przyczynę rozwarstwienia. Proces specyfikacji wymaga wymiarów zbiornika, metody mieszania, wymogu równomierności temperatury i wymaganej mocy. W przypadku obiektów z wysokimi zbiornikami procesowymi to-podejście specyficzne dla danego zastosowania zmniejsza rozwarstwienie i wydłuża żywotność podgrzewacza.
