Zakład chemiczny utracił grzałkę zanurzeniową z PTFE o mocy 6 kW, gdy wirnik pompy recyrkulacyjnej uległ erozji, a przepływ spadł o około 60%. Temperatura płynu w masie utrzymywała się w granicach 3 stopni od wartości zadanej. Kontroler nie zauważył problemu. Jednak temperatura powierzchni grzejnika przekroczyła punkt, w którym płyn na powierzchni zaczął parować. Utworzył się płaszcz parowy, przenoszenie ciepła zanikło, a PTFE zaczął się pęcherzyć i pękać w ciągu kilku godzin.
Osłona parowa to najbardziej nagła awaria grzałki zanurzeniowej z PTFE. W przeciwieństwie do przesiąkania lub zmęczenia, które rozwijają się miesiącami, przykrycie kocem może zniszczyć grzejnik w ciągu jednej zmiany. Wyzwalaczem jest prawie zawsze spadek prędkości przepływu na powierzchni grzejnika-stan ten określa, czy ciepło może opuścić grzejnik wystarczająco szybko, aby utrzymać się poniżej temperatury wrzenia płynu.
Dlaczego pokrycie parą ma miejsce przed gotowaniem w masie
Wrzenie masowe ma miejsce, gdy cały płyn osiąga temperaturę wrzenia. Osłona parowa zachodzi na powierzchni grzejnika, podczas gdy płyn w masie pozostaje znacznie poniżej wrzenia. Mechanizm jest prosty: temperatura powierzchni grzejnika jest zawsze wyższa niż temperatura płynu w masie. Jeśli różnica jest wystarczająco duża, płyn stykający się z grzejnikiem osiąga temperaturę wrzenia, mimo że otaczający płyn nie.
Dla wody o temperaturze 80 stopni temperatura wrzenia wynosi 100 stopni pod ciśnieniem atmosferycznym. Grzejnik pracujący pod ciśnieniem 25 stopni powyżej objętości masowej znajduje się w temperaturze 105 stopni - powyżej lokalnej temperatury wrzenia. Na powierzchni grzejnika tworzą się pęcherzyki pary. Jeśli przepływ jest wystarczający, pęcherzyki oddzielają się i zapadają w chłodniejszym płynie masowym. Jeżeli przepływ jest słaby, pęcherzyki zlewają się w warstwę pary, która izoluje grzejnik.
Po uformowaniu się koca wymiana ciepła zanika. Temperatura powierzchni grzejnika gwałtownie wzrasta, często w ciągu kilku sekund, do poziomu degradacji PTFE. Polimer mięknie, tworzą się pęcherze i pękają. Niepowodzenie jest nieodwracalne.
| Prędkość przepływu na podgrzewaczu | ΔT grzejnika przy 1,2 W/cm² | Temperatura grzejnika przy 80 stopniach luzem | Ryzyko otulenia parą | Minimalna bezpieczna prędkość |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6–10 stopni | 86–90 stopni | Nic | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10–15 stopni | 90–95 stopni | Niski | Odpowiedni |
| 0.15–0.3 m/s | 15–22 stopnie | 95–102 stopnie | Umiarkowany | Marginalny |
| 0.05–0.15 m/s | 22–35 stopni | 102–115 stopni | Wysoki | Poniżej minimum |
| <0.05 m/s | 35–50 stopni | 115–130 stopni | Bardzo wysoki | Niebezpieczny |
Prędkość przepływu i ryzyko osłony parowej dla grzałek zanurzeniowych PTFE w kąpielach wodnych o temperaturze 80 stopni
Minimalny próg prędkości
Minimalna prędkość przepływu wymagana, aby zapobiec pokrywaniu się oparów, zależy od cieczy, gęstości w watach i temperatury objętościowej. W przypadku kąpieli wodnych-o temperaturze 60–80 stopni i gęstości watów 1,0–1,5 W/cm², prędkość powierzchniowa grzejnika wynosząca co najmniej 0,15 m/s jest na ogół wystarczająca, aby oddzielić pęcherzyki pary przed ich połączeniem.
Poniżej 0,15 m/s margines szybko się zwęża. Przy prędkości 0,1 m/s odstęp między grzejnikiem a-masą może przekroczyć 25 stopni, co powoduje, że temperatura powierzchni grzejnika przekracza lokalną temperaturę wrzenia w łaźniach powyżej 70 stopni. Przy prędkości 0,05 m/s-faktycznie stojącej-szczelina może przekraczać 40 stopni, a w łaźniach o temperaturze powyżej 60 stopni zaczyna się pokrywanie parą.
W przypadku cieczy lepkich minimalna prędkość jest wyższa. Płyn o lepkości trzykrotnie większej od wody wymaga około 1,5 razy większej prędkości, aby osiągnąć tę samą grubość warstwy granicznej. W przypadku sulfaminianu niklu w temperaturze 55 stopni minimalna prędkość zapewniająca bezpieczną pracę przy 1,2 W/cm² wynosi około 0,25 m/s.
| Rodzaj płynu | Lepkość w temp. roboczej | Minimalna prędkość przy 1,0 W/cm² | Minimalna prędkość przy 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Woda | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Rozcieńczyć kwas | 0,7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| Watt nikiel | 2,0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Sulfaminian niklu | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Nikiel bezprądowy | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Minimalne prędkości przepływu zapobiegające tworzeniu się osłony parowej w instalacjach grzałki zanurzeniowej z PTFE
Dlaczego-pomiary przepływu w zbiorniku wprowadzają w błąd
Prędkość przepływu na powierzchni grzejnika jest prawie zawsze niższa od-średniej prędkości zbiornika. Rury zraszające i eduktory są rozmieszczone tak, aby przemieszczać płyn wokół przedmiotów obrabianych, a nie wokół grzejników. Grzejnik często umieszcza się w rogu, za prowadnicą stojaka lub na ścianie naprzeciwko wlotu, gdzie lokalna prędkość stanowi ułamek średniej objętości.
Pomiary terenowe w zbiornikach galwanicznych stale wykazują-prędkość poziomu grzejnika 30–70% poniżej średniej w zbiorniku. W martwych strefach redukcja może wynosić 80–90%. W zbiorniku o prędkości nominalnej 0,3 m/s na powierzchni grzejnika może występować jedynie 0,05–0,1 m/s.
Z tego powodu pomiary przepływu na poziomie zbiornika- nie mogą być wykorzystywane do weryfikacji bezpiecznego działania grzejnika. Pomiaru należy dokonać w miejscu grzejnika lub grzejnik musi być umieszczony w znanej strefie-wysokiego przepływu z odpowiednim marginesem.
Praktyczne środki utrzymania bezpiecznej prędkości
Umieścić grzejnik na głównej drodze przepływu. Największa prędkość i najbardziej równomierny przepływ występuje w środku zbiornika lub bezpośrednio w linii z wlotem cyrkulacji. Unikać narożników, za przegrodami i w pobliżu jazu przelewowego.
Użyj dedykowanego eduktora lub rury bełkotliwej skierowanej w stronę grzejnika. Mała dysza eduktorowa umieszczona w odległości 150–250 mm od grzejnika i skierowana wzdłuż powierzchni grzejnika zwiększa prędkość lokalną do 0,3–0,5 m/s. Jest to najbardziej niezawodna metoda utrzymania bezpiecznej prędkości na grzejniku.
Zainstaluj przełącznik przepływu lub czujnik różnicy ciśnień, aby wykryć utratę cyrkulacji. Przełącznik przepływu na przewodzie tłocznym pompy odcina zasilanie podgrzewacza, jeśli przepływ spadnie poniżej bezpiecznego progu. Przełącznik powinien być niezależny od głównego układu sterowania i wymagać ręcznego resetu.
Zmniejsz gęstość mocy w-strefach o niskim przepływie. Jeśli grzejnik musi pracować w miejscu, w którym nie można utrzymać przepływu powyżej 0,15 m/s, należy zmniejszyć gęstość watów, aby utrzymać temperaturę powierzchni grzejnika poniżej lokalnej temperatury wrzenia. W strefach stojących bezpieczna gęstość mocy wynosi 0,6–0,8 W/cm².
Gdy standardowe grzejniki nie mogą utrzymać bezpiecznej prędkości
Zbiorniki ze skomplikowanym wyposażeniem wewnętrznym i ograniczoną cyrkulacją często nie są w stanie zapewnić prędkości przepływu wymaganej przez bezpieczną pracę grzejnika. Grzejnik, który działa dobrze w głównym zbiorniku, może pozbawiony przepływu w rogu lub za armaturą.
Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE z pozycją-o zoptymalizowanym przepływie, dedykowanym eduktorem i niższą gęstością watów eliminuje pierwotną przyczynę braku przepływu. Proces specyfikacji wymaga wymiarów zbiornika, układu cyrkulacji, położenia grzejnika, składu chemicznego kąpieli i wymaganej mocy. W przypadku obiektów wyposażonych w wiele zbiorników to-podejście specyficzne dla danego zastosowania zmniejsza ryzyko powstawania osłony parowej i wydłuża żywotność grzejnika.
