In tanks met schotten-die worden gebruikt voor mengen, chemische reacties en warmteoverdracht- creëert de ruimte tussen het schot en de tankwand een omloopkanaal voor de stroming. Als in dit kanaal een PFA-verwarmer wordt geplaatst, moet de stroomsnelheid langs de verwarmer voldoende zijn om de warmteoverdracht op peil te houden en plaatselijke oververhitting te voorkomen. De minimale omloopsnelheid voor PFA-verwarmers in watervoorziening is 0,3–0,5 m/s om de PFA-oppervlaktetemperatuur binnen 10 graden van de bulkvloeistof te houden bij typische wattdichtheden (3–5 W/cm²). Voor een bepaalde afstand tussen het keerschot (opening tussen de rand van het keerschot en de tankwand) moet de diameter van de verwarmer zo worden gekozen dat het dwarsdoorsnedeoppervlak van het omloopkanaal rond de verwarmer groot genoeg is om de snelheid te behouden. De regel: de buitendiameter van de verwarmer moet kleiner dan of gelijk zijn aan 50% van de breedte van de schotspleet. Voor een schotopening van 100 mm is de maximale buitendiameter van de verwarmer 50 mm. Voor een opening van 50 mm is de maximale buitendiameter van de verwarmer 25 mm. Grotere verwarmingstoestellen verstikken de stroom, verminderen de snelheid en veroorzaken oververhitting.
Berekening van de bypasssnelheid
De snelheid in de schotspleet is v=Q / A, waarbij Q de volumetrische stroomsnelheid van het roerwerk of de recirculatiepomp is, en A de dwarsdoorsnede- van de opening is die niet door de verwarmer wordt ingenomen. De totale spleetbreedte is W, de buitendiameter van het verwarmingselement is D en de tankhoogte is H (aangenomen dat deze volledig ondergedompeld is). Het vrije gebied A_free=(W - D) × H. Als D W nadert, nadert A_free nul, de snelheid daalt dramatisch. Om v Groter dan of gelijk aan 0,3 m/s te behouden, moet A_free Groter dan of gelijk aan Q / 0,3 zijn. Voor een typische tank met een roerder die Q=0.05 m³/s (3 m³/min), H=2 m levert, vereist A_free=0.05 / 0.3=0.167 m². Dan (W - D) × 2=0.167, dus W - D=0.0835 m=83.5 mm. Indien W=150 mm, maximaal D=150 - 83.5=66.5 mm. Een verwarming van 65 mm zou werken. Als W=100 mm, maximaal D=100 - 83.5=16.5 mm-een heel klein verwarmingselement. In dit geval kan de verwarmer niet in de schotspleet worden geplaatst; het moet worden verplaatst.
Voor tanks met natuurlijke convectie (geen pomp, geen roerder) wordt de stroomsnelheid gegenereerd door drijfvermogen. De maximale snelheidsstijging langs een verwarmer is ongeveer v=√(2 × g × × ΔT × L), waarbij g=9.81 m/s² de thermische uitzettingscoëfficiënt is (0,0004/graad voor water), ΔT het temperatuurverschil is tussen het oppervlak van de verwarmer en de bulk (10 graden), en L de lengte van de verwarmer is (1 m). v=√(2 × 9,81 × 0,0004 × 10 × 1)=√(0,0785)=0.28 m/s-op zijn minst. Elke beperking die deze snelheid vermindert, riskeert oververhitting. Voor natuurlijke convectie moet de diameter van de verwarmer kleiner dan of gelijk zijn aan 30% van de spleetbreedte van het schot om verstikking te voorkomen.
Diameter verwarmer vs. selectietabel tussenschot
| Breedte schotopening (mm) | Stroomtype | Minimaal vereist v (m/s) | Maximale buitendiameter verwarming (mm) voor v Groter dan of gelijk aan min | Aanbevolen buitendiameter verwarming (mm) | Opmerkingen |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | Geforceerd (pomp, roerwerk) | 0.3 | 25 | 20–25 | Strak maar haalbaar |
| 50 | Natuurlijke convectie | 0.25 | 15 | 12–16 | Zeer kleine kachel |
| 75 | Gedwongen | 0.3 | 40 | 32–38 | Goed |
| 75 | Natuurlijk | 0.25 | 22 | 20–25 | Aanvaardbaar |
| 100 | Gedwongen | 0.3 | 58 | 50 | Standaard |
| 100 | Natuurlijk | 0.25 | 30 | 25 | OK |
| 125 | Gedwongen | 0.3 | 83 | 75 | Grote kachel mogelijk |
| 150 | Gedwongen | 0.3 | 108 | 100 | Typisch voor grote tanks |
| 200 | Gedwongen | 0.3 | 158 | 150 | Er kunnen meerdere verwarmingstoestellen passen |
Gevolgen van een te grote verwarming in de baffle-opening
Als de diameter van de verwarmer te groot is voor de schotspleet (D > 0,6 × W voor geforceerde stroming, D > 0,3 × W voor natuurlijke convectie), doen zich drie problemen voor:
Stagnatie van de stroom: Snelheid daalt tot onder 0,2 m/s. De warmteoverdrachtscoëfficiënt h daalt van 500–1.000 W/m²·K naar 100–300 W/m²·K. Voor een constante wattdichtheid stijgt de PFA-oppervlaktetemperatuur met 20–50 graden.
Plaatselijke oververhitting: Het heetste punt bevindt zich aan de stroomafwaartse zijde van de heater (in het zog). Het temperatuurverschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts kan 20 tot 30 graden bedragen, waardoor ongelijkmatige thermische spanning ontstaat.
Versnelde schaalvergroting: Door de lage snelheid kunnen bellen en deeltjes zich aan de verwarmer hechten, waardoor kalkaanslag en biofilms ontstaan. De schaal vermindert de warmteoverdracht verder, waardoor een positieve feedbacklus ontstaat.
Bij veldinspectie van een extra grote verwarmer in een tussenschot is een duidelijk patroon te zien: de PFA is vergeeld of bruin aan de stroomafwaartse zijde, met witte aanslag. De stroomopwaartse kant kan er normaal uitzien. Als dit patroon wordt waargenomen, is de verwarmer te groot voor de opening.
Installatiealternatieven wanneer de opening te klein is
Als de vereiste diameter van de verwarmer groter is dan de maximaal toegestane afstand tussen het keerschot, overweeg dan deze alternatieven:
Verplaats de verwarming: Monteer de verwarmer in het midden van de tank (weg van schotten) of in een recirculatielus. Middenmontage heeft vaak een hogere stroomsnelheid dan schotspleten.
Gebruik meerdere kleinere verwarmingstoestellen: Gebruik in plaats van één verwarmingselement van 50 mm twee verwarmingselementen van 25 mm. Het totale oppervlak (en vermogen) kan hetzelfde zijn, maar elke kleinere verwarmer heeft een lagere doorstroombeperking.
Vergroot de baffle-afstand: Als het ontwerp van de tank dit toelaat, verhoog dan de W door schotten te verplaatsen of de randen van het schot in te korten. Door 25 mm aan de opening toe te voegen, is een verwarming van 50 mm mogelijk, waar voorheen slechts 32 mm paste.
Voeg een stroomversneller toe: Installeer een kleine eductor of straalmondstuk in de schotopening om de lokale snelheid te verhogen. Het mondstuk verbruikt wat pompenergie, maar herstelt de warmteoverdracht.
Veldvoorbeeld
Een mengtank van 5.000 liter had een schotspleet van 80 mm. De fabriek installeerde een PFA-verwarmer van 63 mm (79% van de tussenruimte). De stroomsnelheid (gemeten) was 0,12 m/s. De verwarming werd binnen 3 maanden opgeschaald en de PFA-oppervlaktetemperatuur bereikte 115 graden in water van 70 graden (stijging van 45 graden). De fabriek verving deze door twee 25 mm-verwarmers (totaal vermogen hetzelfde) aan weerszijden van het schot. De snelheid rond elke verwarmer was 0,35 m/s. De kalkaanslag nam af, de oppervlaktetemperatuur daalde tot 85 graden en de levensduur van de verwarming werd verlengd van 6 maanden naar 5 jaar. De kosten van twee verwarmingselementen (2 × 500=500=1.000) waren hoger dan die van één verwarmingselement van 63 mm ($800), maar de langere levensduur en minder uitvaltijd werden binnen 18 maanden terugverdiend.
Conclusie: Buitendiameter verwarmer kleiner dan of gelijk aan 0,5 x schotopening voor geforceerde stroming
Voor een PFA-verwarmer geïnstalleerd in een schotspleet, selecteert u de diameter van het verwarmingselement zodanig dat de buitendiameter kleiner is dan of gelijk aan 0,5 × de breedte van de schotspleet (W) voor geforceerde stroming (gepompt of geagiteerd), en de buitendiameter kleiner dan of gelijk aan 0,3 × W voor natuurlijke convectie. Dit zorgt voor voldoende vrije ruimte om een minimale omloopsnelheid van de stroom van 0,3 m/s (geforceerd) of 0,25 m/s (natuurlijk) te handhaven. Te grote verwarmingselementen verstikken de stroom, wat een lage snelheid, een hoge oppervlaktetemperatuur, versnelde kalkaanslag en voortijdige uitval veroorzaakt. Meet de opening, bereken de maximaal toegestane buitendiameter en selecteer dienovereenkomstig. Als de benodigde buitendiameter de limiet overschrijdt, verplaatst u de verwarmer of gebruikt u meerdere kleinere verwarmers. De schotopening is bedoeld voor de doorstroming, niet voor het vullen van de grootst mogelijke verwarmer. Respecteer de opening, bemeten de verwarmer, handhaaf de doorstroming. Uw verwarming zal u dankbaar zijn met jarenlange service.
