Zakład wykańczania metali potrzebował dobrać zamienną grzałkę zanurzeniową z PTFE do 2000-litrowego zbiornika do anodowania kwasem chromowym. Kąpiel działała w temperaturze 55 stopni, a instalacja wymagała czasu nagrzewania od 20 stopni przez cztery godziny. Istniejący grzejnik był za mały, a zbiornik nigdy nie osiągnął wartości zadanej w okresie szczytowej produkcji. Zespół konserwacyjny musiał obliczyć prawidłową moc przed zamówieniem zamiennika.
Dobór grzałki zanurzeniowej z PTFE do zbiornika kwasu chromowego wymaga trzech obliczeń:-obciążenia nagrzewającego, obciążenia konserwacyjnego i powierzchni wymaganej do zapewnienia bezpiecznej gęstości watów. Każde obliczenie zależy od składu chemicznego kąpieli, wymiarów zbiornika i warunków pracy.
Krok 1: Oblicz-obciążenie cieplne
Obciążenie podgrzewające to energia potrzebna do podniesienia kąpieli z temperatury otoczenia do temperatury zadanej w żądanym czasie. Wzór jest następujący: kW=(litry × ΔT × Cp × gęstość) / (3600 × godziny).
W przypadku 2000-litrowej kąpieli kwasu chromowego o gęstości 1150 kg/m3 i cieple właściwym 3,75 kJ/kg·K ogrzewanie od 20 stopni do 55 stopni w ciągu czterech godzin wymaga około 23 kW. Dodanie 20% strat podczas nagrzewania daje 28 kW.
| Objętość zbiornika | Wzrost temperatury | Czas nagrzewania-Czas działania | Podgrzej-ładunek | Z 20% marginesem straty |
|---|---|---|---|---|
| 1,000 L | 35 stopni | 4 godziny | 11,5 kW | 14 kW |
| 1,500 L | 35 stopni | 4 godziny | 17,2 kW | 21 kW |
| 2,000 L | 35 stopni | 4 godziny | 23,0 kW | 28 kW |
| 2,500 L | 35 stopni | 4 godziny | 28,7 kW | 34 kW |
| 3,000 L | 35 stopni | 4 godziny | 34,5 kW | 41 kW |
Obciążenie cieplne-dla kąpieli kwasu chromowego przy 1150 kg/m3 i 3,75 kJ/kg·K
Krok 2: Oblicz obciążenie konserwacyjne
Obciążenie konserwacyjne to energia wymagana do utrzymania wartości zadanej w obliczu ciągłych strat. Dla zbiornika o pojemności 2000 litrów w temperaturze 55 stopni straty na ściankach wynoszą 1,5–2,5 kW, straty powierzchniowe wynoszą 0,8–1,5 kW, a obciążenie produkcyjne wynosi 1–3 kW. Całkowite obciążenie konserwacyjne wynosi 3,3–7,0 kW.
Grzejnik powinien być dobrany odpowiednio do większego obciążenia-nagrzewania lub obciążenia konserwacyjnego. W przypadku tego zbiornika obciążenie nagrzewające-wynoszące 28 kW jest większe.
Krok 3: Oblicz wymaganą powierzchnię
Pole powierzchni zależy od mocy i bezpiecznej gęstości watów dla kwasu chromowego. W przypadku grzałki zanurzeniowej PTFE w kwasie chromowym o temperaturze 55 stopni bezpieczna gęstość watów wynosi 1,0–1,2 W/cm².
Dla obciążenia 28 kW i 1,0 W/cm² wymagana powierzchnia wynosi 28 000 cm². Pojedynczy prosty grzejnik o średnicy płaszcza 50 mm wymagałby ogrzanej długości 17 834 mm-znacznie dłuższej niż jakikolwiek normalny zbiornik. Wymagana jest konfiguracja wieloprzebiegowa-lub wiele grzejników.
| Moc | Bezpieczna gęstość watów | Wymagana powierzchnia | Długość podgrzewana przy osłonie 50 mm | Konfiguracja wieloprzepustowa- |
|---|---|---|---|---|
| 15 kW | 1,0 W/cm² | 15 000 cm² | 9554 mm | 6 przejść × 1592 mm |
| 20 kW | 1,0 W/cm² | 20 000 cm² | 12739 mm | 8 przejść × 1592 mm |
| 25 kW | 1,0 W/cm² | 25 000 cm² | 15924 mm | 10 przejść × 1592 mm |
| 28 kW | 1,0 W/cm² | 28 000 cm² | 17834 mm | 12 przejść × 1486 mm |
| 30 kW | 1,0 W/cm² | 30 000 cm² | 19108 mm | 12 przejść × 1592 mm |
Wymagania dotyczące pola powierzchni i konfiguracji wieloprzebiegowej-dla kwasu chromowego przy 1,0 W/cm²
Krok 4: Sprawdź głębokość zanurzenia i dopasowanie zbiornika
Grzejnik musi pasować do zbiornika i pozostawać całkowicie zanurzony przy minimalnym poziomie cieczy. Zbiornik o pojemności 2000-litrowych i wymiarach 1500 × 1200 × 1100 mm ma użyteczną długość podgrzewania wynoszącą około 800–900 mm. Grzejnik wieloprzebiegowy z 12 przejściami o średnicy 1486 mm każdy nie zmieści się w jednym zbiorniku.
Praktycznym rozwiązaniem jest zastosowanie wielu grzałek rozmieszczonych na obwodzie zbiornika. Trzy grzejniki, każdy o mocy 10 kW przy 1,0 W/cm², zapewniają łącznie 30 kW. Każdy grzejnik ma konfigurację wieloprzebiegową- dostosowaną do dostępnej przestrzeni.
Krok 5: Sprawdź gęstość watów i temperaturę powierzchni
Gęstość watów oblicza się na podstawie całkowitej mocy i całkowitej powierzchni. Dla mocy 28 kW i 28 000 cm² gęstość w watach wynosi 1,0 W/cm². Przy 1,0 W/cm² w umiarkowanie mieszanej kąpieli kwasu chromowego w temperaturze 55 stopni, temperatura powierzchni wynosi około 75–80 stopni. To mieści się w bezpiecznym zakresie dla PTFE.
Jeśli obliczona temperatura powierzchni przekracza 85 stopni, należy zmniejszyć gęstość watów i zwiększyć powierzchnię.
Gdy standardowe grzejniki nie są w stanie spełnić wymagań dotyczących mocy i powierzchni
Duże zbiorniki kwasu chromowego-o dużym obciążeniu nagrzewającym często nie są w stanie pomieścić standardowych grzałek zanurzeniowych z PTFE przy niskiej gęstości watów wymaganej przez chemię. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE z wieloma grzejnikami, dużą powierzchnią i niską gęstością watów rozwiązuje pierwotną przyczynę niedopasowania mocy i powierzchni. Proces specyfikacji wymaga objętości zbiornika, składu chemicznego kąpieli, temperatury roboczej, docelowego czasu-nagrzewania i wymaganej mocy. W przypadku obiektów wyposażonych w duże zbiorniki kwasu chromowego to-podejście specyficzne dla danego zastosowania zapewnia, że grzejnik dostarcza wymaganą moc przy bezpiecznej temperaturze powierzchni.
