Een chemische fabriek verving een PTFE-dompelverwarmer in een galvaniseerbad na negen maanden dienst. Hetzelfde verwarmingsmodel had het vier jaar volgehouden in een soortgelijke tank in een andere faciliteit. Het verschil was de concentratie opgeloste vaste stoffen. De mislukte installatie draaide op een bad met 350 g/l opgeloste zouten, terwijl de succesvolle installatie op 120 g/l draaide. De hogere concentratie vaste stoffen had de viscositeit verhoogd en de thermische geleidbaarheid van de vloeistof verlaagd, waardoor de veilige wattdichtheid daalde.
Opgeloste vaste stoffen beïnvloeden de warmteoverdracht op twee manieren. Ze verhogen de viscositeit van de vloeistof, waardoor de thermische grenslaag op het verwarmingsoppervlak dikker wordt. Ze verminderen ook de thermische geleidbaarheid van de vloeistof, waardoor de snelheid waarmee warmte door de vloeistof beweegt afneemt. Het gecombineerde effect is een lagere convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt en een hogere oppervlaktetemperatuur van het verwarmingselement voor elke gegeven wattdichtheid.
Hoe opgeloste vaste stoffen de vloeistofeigenschappen veranderen
Naarmate de concentratie opgeloste vaste stoffen toeneemt, wordt de vloeistof stroperiger en minder thermisch geleidend. De viscositeitstoename is voor de meeste zouten ruwweg lineair met de concentratie. De afname van de thermische geleidbaarheid is kleiner, maar nog steeds meetbaar.
Een galvaniseerbad met 300 g/l opgeloste zouten kan een viscositeit hebben die twee tot drie keer zo groot is als die van water bij dezelfde temperatuur. De thermische geleidbaarheid kan 10–15% lager zijn. De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt, die van beide eigenschappen afhangt, kan 25-40% lager zijn dan die van water.
| Opgeloste vaste stoffen | Relatieve viscositeit | Relatieve thermische geleidbaarheid | Convectiecoëfficiënt versus water | Veilige wattdichtheid |
|---|---|---|---|---|
| <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 |
Concentratie van opgeloste vaste stoffen en het effect ervan op vloeistofeigenschappen en veilige wattdichtheid
Waarom hetzelfde verwarmingsmodel faalt bij hoge vaste stoffen
Een verwarming die werkt op 1,2 W/cm² in een bad met weinig- vaste stoffen kan een oppervlaktetemperatuur hebben die 15–18 graden boven de bulkvloeistof ligt. Dezelfde verwarmer in een bad met een hoog-gehalte aan vaste stoffen kan een oppervlaktetemperatuur hebben die 25-35 graden boven de bulk ligt. De hogere oppervlaktetemperatuur versnelt de permeatie, oxidatie en kalkaanslag.
De hogere oppervlaktetemperatuur vergroot ook de drijvende kracht voor depositie. Opgeloste zouten die bij de bulktemperatuur bijna verzadigd zijn, kunnen de verzadiging aan het verwarmingsoppervlak overschrijden. Ze slaan neer op het oppervlak en vormen een kalklaag die de thermische weerstand vergroot en de oppervlaktetemperatuur verder verhoogt.
Praktische grenswaarden voor wattdichtheid voor baden met hoge-vaste stoffen
Voor baden met opgeloste vaste stoffen boven 250 g/l bedraagt de veilige wattdichtheid 0,8–1,0 W/cm² onder matig geagiteerde omstandigheden. Voor baden boven 350 g/l daalt de limiet naar 0,6–0,8 W/cm². Deze waarden gaan uit van een oppervlaktetemperatuurlimiet van het verwarmingselement van 100–110 graden.
| Opgeloste vaste stoffen | Temperatuur | Veilige wattdichtheid | Oppervlakte voor 5 kW | Verwachte levensduur |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 graden | 1,4 W/cm² | 3.571 cm² | 4–6 jaar |
| 100–200 g/L | 60 graden | 1,2 W/cm² | 4.167 cm² | 3–4 jaar |
| 200–300 g/L | 60 graden | 1,0 W/cm² | 5.000 cm² | 2–3 jaar |
| 300–400 g/L | 60 graden | 0,8 W/cm² | 6.250 cm² | 18–30 maanden |
| >400 g/L | 60 graden | 0,6 W/cm² | 8.333 cm² | 12–24 maanden |
Veilige wattdichtheid en oppervlaktevereisten door concentratie van opgeloste vaste stoffen
Meten van opgeloste vaste stoffen
De concentratie opgeloste vaste stoffen kan worden gemeten door een monster van het bad te verdampen en het residu te wegen. De meting moet worden uitgevoerd bij bedrijfstemperatuur of gecorrigeerd naar bedrijfstemperatuur.
Een geleidbaarheidsmeter geeft een snelle schatting van opgeloste vaste stoffen. De geleidbaarheid correleert met de concentratie voor de meeste galvaniseerbaden. De relatie moet worden gekalibreerd voor de specifieke badchemie.
Wanneer standaardverwarmers niet kunnen voldoen aan de vereiste wattdichtheid
Galvaniseerbaden met een hoog-gehalte aan vaste stoffen, hoge wattagevereisten en een beperkte perifere ruimte zijn vaak niet geschikt voor standaard PTFE-dompelaars met de lage wattdichtheden die de chemie vereist. Een op maat gemaakte configuratie van een PTFE-dompelverwarmer met een groot oppervlak, een lage wattdichtheid en een -stroomgeoptimaliseerde positie pakt de hoofdoorzaak van de niet-overeenkomende wattdichtheid aan. Het specificatieproces vereist de concentratie opgeloste vaste stoffen, de bedrijfstemperatuur, de tankafmetingen, de stroomomstandigheden en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met baden met een hoog-gehalte aan vaste stoffen vermindert deze toepassing-specifieke aanpak de degradatie van de coating en verlengt de levensduur van de verwarming.
