Een chemicaliëntank kan hetzelfde volume vloeistof bevatten, maar gedraagt zich heel anders per productiebatch. Veranderingen in de chemische concentratie kunnen de vloeistofdichtheid, viscositeit, warmtecapaciteit en circulatie veranderen. Deze veranderingen hebben rechtstreeks invloed op hoe eenPTFE-dompelverwarmergeeft warmte af aan het bad.
Voor ingenieurs die verwarmingsapparatuur dimensioneren, moet de vloeistofdichtheid daarom samen met de concentratie en thermische eigenschappen worden beschouwd in plaats van als een geïsoleerde specificatie te worden behandeld.
Dichtheid verandert de werkelijke massa die wordt verwarmd
De tankinhoud wordt meestal uitgedrukt in liters of kubieke meters, terwijl verwarmingsberekeningen afhankelijk zijn van de massa.
De basisrelatie is:
m = ρV
waarmis vloeibare massa,ρis dichtheid, enVis het vloeistofvolume.
Een tank van 1.000 liter met een oplossing met een dichtheid van 1,20 kg/l bevat bijvoorbeeld ongeveer 1.200 kg vloeistof.
Als dezelfde tank een oplossing met een lagere -dichtheid van 1,00 kg/l bevat, is de vloeibare massa slechts ongeveer 1000 kg.
Dit verschil heeft invloed op de hoeveelheid energie die nodig is om de badtemperatuur te verhogen.
Voor verstandige verwarming:
Q=mcΔT
Daarom kunnen twee vloeistoffen die hetzelfde tankvolume innemen, verschillende verwarmingsenergie nodig hebben als hun dichtheden en specifieke warmtecapaciteiten verschillen.
Dichtheid alleen bepaalt de warmteoverdracht niet
Een veel voorkomend technisch misverstand is de veronderstelling dat een hogere dichtheid automatisch een slechtere of betere warmteoverdracht betekent.
Dichtheid is slechts een deel van het beeld van de vloeistof-eigenschap.
De warmteoverdracht rond een PTFE-dompelverwarmer wordt ook beïnvloed door de viscositeit, de specifieke warmtecapaciteit, de thermische geleidbaarheid, de vloeistofsnelheid, de geometrie van de verwarming en het temperatuurverschil.
Een vereenvoudigde relatie is:
Q=hAΔT
Hier,hvertegenwoordigt de effectieve warmte-overdrachtscoëfficiënt enAvertegenwoordigt het actieve verwarmingsgebied.
Dichtheid kan het gedrag van vloeistoffen beïnvloeden, maar geeft niet direct de waarde ervan weerh. Vloeistofbeweging en viscositeit kunnen even belangrijk zijn.
Geconcentreerde oplossingen kunnen meerdere eigenschappen tegelijk veranderen
Bij veel chemische processen neemt de dichtheid toe naarmate de concentratie opgeloste chemicaliën toeneemt. Tegelijkertijd kunnen de viscositeit en de soortelijke warmtecapaciteit veranderen.
Hierdoor ontstaat een gecombineerd designeffect.
Een geconcentreerde oplossing kan meer massa per volume-eenheid bevatten, waardoor de gevoelige- verwarmingsbelasting toeneemt. Als de viscositeit ook toeneemt, kan de circulatie rond de verwarmer minder effectief worden.
Het resultaat kan een proces zijn waarbij hetzelfde nominale verwarmingsvermogen een andere temperatuurrespons produceert nadat de chemische concentratie verandert.
Om deze reden kunnen verwarmingsberekeningen die uitsluitend op het tankvolume zijn gebaseerd, onnauwkeurig worden voor geconcentreerde chemische oplossingen.
Waarom het verwarmingsoppervlak er nog steeds toe doet
Stel dat een proces 12 kW verwarmingsvermogen vereist.
Een compacte heater met een klein actief oppervlak en een langere heater met een groter actief oppervlak kunnen beide 12 kW elektrisch leveren. Hun gemiddelde oppervlaktewarmteflux zal echter verschillen.
De vereenvoudigde berekening is:
q = P/A
waarqis de gemiddelde warmteflux.
Overweeg twee illustratieve configuraties:
| Verwarmingsopstelling | Stroom | Actief verwarmingsgebied | Gemiddelde warmteflux |
|---|---|---|---|
| Compacte configuratie | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² |
| Gedistribueerde configuratie | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² |
Deze waarden zijn illustratief en vertegenwoordigen geen universele PTFE-bedrijfslimieten.
De gedistribueerde opstelling kan een lagere gemiddelde warmtestroom aan het oppervlak opleveren, maar de werkelijke prestaties zijn nog steeds afhankelijk van de circulatie, installatiegeometrie, badchemie en verwarmingsconstructie.
Vloeistofbeweging kan de beperkende factor worden
Wanneer een dichte of stroperige chemische oplossing langzaam beweegt, kan de warmte zich sneller rond het verwarmingsoppervlak ophopen dan dat deze naar het omringende bad wordt getransporteerd.
Hierdoor kan er plaatselijk een temperatuurverschil ontstaan tussen de vloeistof direct rond de verwarmer en de bulkoplossing.
Een tanktemperatuursensor kan nog steeds de gewenste gemiddelde temperatuur rapporteren terwijl het verwarmingsoppervlak aanzienlijk andere omstandigheden ervaart.
Mechanische roering, pompcirculatie, afstand van de verwarmers en installatielocatie moeten daarom samen worden geëvalueerd.
Voor grote chemicaliëntanks kan het verdelen van verwarmingszones ook helpen voorkomen dat de thermische belasting in één regio wordt geconcentreerd.
De dichtheid moet worden meegenomen in de verwarmingstijd-berekeningen
Beschouw een illustratieve chemische oplossing van 1500 liter met een dichtheid van 1,15 kg/l. De geschatte vloeibare massa is:
m=1.15 × 1,500=1,725 kg
Als wordt aangenomen dat de soortelijke warmtecapaciteit 3,2 kJ/(kg·K) is en de vereiste temperatuurstijging 30 graden bedraagt:
Q=1,725 × 3,2 × 30=165,600 kJ
Dit komt overeen met ongeveer 46 kWh aan zinvolle verwarmingsenergie.
Een verwarming van 20 kW zou theoretisch ongeveer 2,3 uur nodig hebben onder ideale omstandigheden. De werkelijke verwarmingstijd zou langer zijn omdat tankwanden, leidingen, werkstukken, verdamping en warmteverliezen uit de omgeving ook energie verbruiken.
De berekening laat zien waarom dichtheid en soortelijke warmtecapaciteit moeten worden meegenomen bij het schatten van de verwarmingscapaciteit.
Welke gegevens moeten worden verstrekt voor de selectie van de verwarmer?
Voor een chemisch proces met behulp van aPTFE-dompelverwarmer, nuttige vloeistofinformatie omvat:
Vloeistofdichtheid of soortelijk gewicht
Chemische concentratie
Specifieke warmtecapaciteit
Viscositeit
Thermische geleidbaarheid indien beschikbaar
Bedrijfstemperatuurbereik
Vereiste verwarmingssnelheid
Circulatie- of roermethode
Normaal en minimaal vloeistofniveau
Afmetingen tank
Dichtheid kan daarom het beste worden beschouwd als onderdeel van een breder thermisch-eigenschapsprofiel.
Wanneer de dichtheid aanzienlijk verandert als gevolg van de chemische concentratie, moet de dimensionering van de verwarmer worden gecontroleerd over het werkelijke werkingsbereik in plaats van op basis van een enkele nominale toestand. Het combineren van vloeistofeigenschappen met verwarmingsoppervlak, stroomverdeling, circulatie en tankgeometrie biedt een betrouwbaardere basis voor de selectie van PTFE-dompelverwarmers en op maat gemaakt industrieel ontwerp.
