Een chemische fabriek exploiteerde een procestank van 2.500-liter, die 2.200 mm hoog en 1.200 mm in diameter was. Een PTFE-dompelverwarmer werd verticaal langs de tankwand gemonteerd. De verwarming viel na slechts zeven maanden gebruik uit, waarbij de blaren zich concentreerden op het bovenste derde deel van het verwarmde gedeelte. De tank had geen mechanische roering; hij was afhankelijk van natuurlijke convectie om de warmte te verspreiden. De thermische gelaagdheid die zich in de hoge tank ontwikkelde, creëerde een hete laag aan de bovenkant en een koele laag aan de onderkant, en het bovenste gedeelte van de verwarmer werkte in de hete laag.
Thermische stratificatie treedt op wanneer een vloeistof stabiele lagen met verschillende temperaturen ontwikkelt. De lagen mengen zich niet omdat de warmere, minder dichte vloeistof bovenop de koelere, dichtere vloeistof blijft. In een hoge tank met een zwakke circulatie kan de stratificatie ernstig zijn.
Waarom hoge tanks stratificeren
Stratificatie wordt aangedreven door drijfvermogen. Wanneer een PTFE-dompelverwarmer de vloeistof nabij de tankwand verwarmt, stijgt de verwarmde vloeistof. In een korte tank bereikt de opstijgende vloeistof snel het oppervlak en verspreidt zich, vermengd met de bulk. In een hoge tank vormt de opstijgende vloeistof bovenaan een stabiele laag. De laag wordt dieper naarmate er meer verwarmde vloeistof zich ophoopt.
Het temperatuurverschil tussen de bovenste en onderste lagen kan in een hoge tank zonder roeren 15-25 graden bereiken. De bovenste laag is warmer en minder dicht. De onderste laag is koeler en dichter. Het grensvlak tussen de lagen is een stabiele grens die bestand is tegen vermenging.
| Tankhoogte | Hoogte-tot-diameterverhouding | Natuurlijke convectiemenging | Boven-tot-Onder ΔT | Stratificatierisico |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Goed | 3–6 graden | Laag |
| 1.000–1.500 mm | 1:1 tot 1,5:1 | Gematigd | 6–12 graden | Gematigd |
| 1.500–2.000 mm | 1,5:1 tot 2:1 | Arm | 12–18 graden | Hoog |
| >2.000 millimeter | >2:1 | Zeer slecht | 18–25 graden | Zeer hoog |
Tankhoogte en stratificatierisico in procestanks
Waarom stratificatie de levensduur van PTFE-verwarmers verkort
De verwarmer werkt in een gelaagde omgeving. Het onderste gedeelte van de verwarmer bevindt zich in de koelere, dichtere vloeistof. Het bovenste gedeelte bevindt zich in de warmere, minder dichte vloeistof. Het bovenste gedeelte werkt op een hogere temperatuur dan het onderste gedeelte.
De hogere temperatuur versnelt elk afbraakmechanisme. Permeatie, oxidatie en kalkafzetting nemen allemaal toe met de temperatuur. Het bovenste gedeelte van de verwarmer gaat sneller kapot dan het onderste gedeelte. De blaarvorming concentreert zich bovenaan.
De gelaagdheid vermindert ook de drijvende kracht voor warmteoverdracht. De vloeistof bovenaan de tank is al warm, waardoor het temperatuurverschil tussen de verwarmer en de vloeistof kleiner is. De verwarmer moet heter worden om dezelfde warmte te leveren, wat de afbraak verder versnelt.
Waarom natuurlijke convectie de stratificatie niet kan overwinnen
Natuurlijke convectie wordt aangedreven door het dichtheidsverschil tussen de verwarmde vloeistof en de koelere vloeistof. In een hoge tank is het dichtheidsverschil niet groot genoeg om de stabiele gelaagdheid te overwinnen. De verwarmde vloeistof stijgt en blijft bovenaan. Het mengt niet met de onderstaande koelvloeistof.
De gelaagdheid wordt stabieler naarmate het temperatuurverschil groter wordt. Een verschil van 15 graden tussen de bovenste en onderste lagen creëert een dichtheidsverschil dat vermenging tegengaat. De lagen blijven stabiel totdat ze door mechanisch schudden of door een verstoring worden gebroken.
Stratificatie in hoge tanks voorkomen
De meest effectieve preventie is mechanisch roeren. Een circulatiepomp, een eductor of een sproeileiding kunnen de stabiele lagen opbreken en de tank vermengen. Het roeren moet voldoende zijn om het tankvolume binnen een redelijke tijd om te zetten. Voor de meeste procestanks is een omloopsnelheid van 2 tot 4 keer per uur voldoende.
Een verwarmer met een lagere wattdichtheid verkleint het temperatuurverschil tussen de verwarmer en de vloeistof. De lagere oppervlaktetemperatuur vermindert de door het drijfvermogen veroorzaakte gelaagdheid- en vertraagt de degradatie van het bovenste verwarmingsgedeelte.
Meerdere verwarmingselementen verdeeld over verschillende hoogtes in de tank zorgen voor een meer uniforme verwarming en verminderen de temperatuurgradiënt. De verwarmingselementen aan de onderkant verwarmen de koelere vloeistof, en de verwarmingselementen bovenaan houden de warmere vloeistof vast. Het resultaat is een uniformer temperatuurprofiel.
| Preventiemaatregel | Effect op stratificatie | Uitvoering | Kosten |
|---|---|---|---|
| Mechanische roering | Breekt lagen af | Pomp, eductor of sproeier | Gematigd |
| Lagere wattdichtheid | Vermindert het drijfvermogen | Ontwerp van de verwarming | Gematigd |
| Meerdere heaters op verschillende hoogtes | Gelijkmatige verwarming | Indeling verwarming | Hoger |
| Tankisolatie | Vermindert warmteverlies | Isolatie | Gematigd |
Preventiemaatregelen voor thermische stratificatie in hoge procestanks
Wanneer stratificatie een ontwerpprobleem aangeeft
Een hoge tank die ondanks mechanische roering stratificatie vertoont, geeft aan dat het roerwerk niet het volledige tankvolume bereikt of dat de indeling van de verwarming niet geschikt is voor de tankgeometrie. Een aangepaste PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met meerdere verwarmingselementen op verschillende hoogtes, een lagere wattdichtheid en een stroom-geoptimaliseerde lay-out pakt de hoofdoorzaak van gelaagdheid aan. Het specificatieproces vereist de tankafmetingen, de roermethode, de vereiste temperatuuruniformiteit en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met hoge procestanks vermindert deze toepassing-specifieke aanpak de stratificatie en verlengt de levensduur van de verwarming.
