Een chemische fabriek verloor een PTFE-dompelverwarmer van 6 kW toen de rotor van een recirculatiepomp erodeerde en de stroom met ongeveer 60% daalde. De bulkvloeistoftemperatuur bleef binnen 3 graden van het instelpunt. De controleur zag geen probleem. Maar de oppervlaktetemperatuur van de verwarmer was voorbij het punt gestegen waarop de vloeistof aan het oppervlak begon te verdampen. Er vormde zich een dampdeken, de warmteoverdracht stortte in en het PTFE barstte binnen enkele uren.
Dampdeken is de meest abrupte storingsmodus voor een PTFE-dompelverwarmer. In tegenstelling tot permeatie of vermoeidheid, die zich in de loop van maanden ontwikkelen, kan het aanbrengen van een deken een verwarming in één enkele dienst vernietigen. De trigger is bijna altijd een daling van de stroomsnelheid aan het oppervlak van de verwarmer-de toestand die bepaalt of warmte de verwarmer snel genoeg kan verlaten om onder het kookpunt van de vloeistof te blijven.
Waarom dampdeken optreedt vóór bulkkoken
Bulkkoken vindt plaats wanneer de gehele vloeistof het kookpunt bereikt. Dampdeken vindt plaats op het verwarmingsoppervlak, terwijl de bulkvloeistof ruim onder het kookpunt blijft. Het mechanisme is eenvoudig: de temperatuur van het verwarmingsoppervlak is altijd hoger dan de temperatuur van de bulkvloeistof. Als het verschil groot genoeg is, bereikt de vloeistof die in contact komt met de verwarmer zijn kookpunt, ook al doet de omringende vloeistof dat niet.
Voor water van 80 graden is het kookpunt bij atmosferische druk 100 graden. Een verwarming die 25 graden boven de bulk werkt, bevindt zich op 105 graden -boven het plaatselijke kookpunt. Er vormen zich dampbellen op het verwarmingsoppervlak. Als de stroming voldoende is, komen de bellen los en vallen ze samen in de koelere bulkvloeistof. Als de stroming zwak is, vloeien de bellen samen tot een dampdeken die de verwarmer isoleert.
Zodra de deken zich vormt, stort de warmteoverdracht in. De temperatuur van het verwarmingsoppervlak stijgt, vaak binnen enkele seconden, naar het PTFE-degradatiebereik. Het polymeer wordt zacht, blaast en barst. De mislukking is onomkeerbaar.
| Stroomsnelheid bij verwarming | Verwarmingselement ΔT bij 1,2 W/cm² | Verwarmingstemperatuur op 80 graden bulk | Risico op dampdeken | Minimale veilige snelheid |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6–10 graden | 86–90 graden | Geen | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10–15 graden | 90-95 graden | Laag | Adequaat |
| 0.15–0.3 m/s | 15–22 graden | 95–102 graden | Gematigd | Marginaal |
| 0.05–0.15 m/s | 22-35 graden | 102–115 graden | Hoog | Onder het minimum |
| <0.05 m/s | 35-50 graden | 115–130 graden | Zeer hoog | Onveilig |
Risico op stroomsnelheid en dampbedekking voor PTFE-dompelverwarmers in waterige baden bij 80 graden
De minimale snelheidsdrempel
De minimale stroomsnelheid die nodig is om dampdeken te voorkomen, hangt af van de vloeistof, de wattdichtheid en de bulktemperatuur. Voor baden op water- met een temperatuur van 60–80 graden en een wattdichtheid van 1,0–1,5 W/cm² is een oppervlaktesnelheid van het verwarmingselement van ten minste 0,15 m/s over het algemeen voldoende om dampbellen los te maken voordat ze samenvloeien.
Onder de 0,15 m/s wordt de marge snel kleiner. Bij 0,1 m/s kan de ruimte tussen de verwarmer- en de-bulk groter zijn dan 25 graden, waardoor de oppervlaktetemperatuur van de verwarmer voorbij het plaatselijke kookpunt komt in baden boven de 70 graden. Bij 0,05 m/s-effectief stagnerend-kan de opening groter zijn dan 40 graden, en dampdeken begint in baden boven de 60 graden.
Voor viskeuze vloeistoffen is de minimale snelheid hoger. Een vloeistof met drie keer de viscositeit van water heeft ongeveer 1,5 keer de snelheid nodig om dezelfde grenslaagdikte te bereiken. Voor nikkelsulfamaat bij 55 graden is de minimale snelheid voor veilige werking bij 1,2 W/cm² ongeveer 0,25 m/s.
| Vloeistoftype | Viscositeit bij bedrijfstemperatuur | Minimale snelheid bij 1,0 W/cm² | Minimale snelheid bij 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Water | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Verdund zuur | 0,7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| Watt nikkel | 2,0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Nikkelsulfamaat | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Stroomloos nikkel | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Minimale stroomsnelheden ter voorkoming van dampdeken in PTFE-dompelverwarmerinstallaties
Waarom tank-niveaustroommetingen misleidend zijn
De stroomsnelheid aan het verwarmingsoppervlak is bijna altijd lager dan de -gemiddelde snelheid van de tank. Sproeipijpen en eductors zijn zo geplaatst dat vloeistof rond werkstukken beweegt, niet rond verwarmingstoestellen. De verwarmer bevindt zich vaak in een hoek, achter een rekgeleider of op een muur tegenover de inlaat, waar de lokale snelheid een fractie is van het bulkgemiddelde.
Uit veldmetingen in beplatingstanks blijkt consistent dat de verwarmingsniveaus- 30-70% onder het tankgemiddelde liggen. In dode zones kan de reductie 80-90% bedragen. Een tank met een nominale snelheid van 0,3 m/s heeft mogelijk slechts 0,05–0,1 m/s op het verwarmingsoppervlak.
Dit is de reden waarom debietmetingen op tankniveau- niet kunnen worden gebruikt om de veilige werking van de verwarming te verifiëren. De meting moet worden uitgevoerd op de locatie van de verwarmer, of de verwarmer moet worden geplaatst in een bekende zone met hoge-stroming en voldoende marge.
Praktische maatregelen om een veilige snelheid te handhaven
Plaats de verwarmer in het hoofdstroomtraject. De hoogste snelheid en meest uniforme stroom vinden plaats in het midden van de tank of direct in lijn met de circulatie-inlaat. Vermijd hoeken, achter schotten en in de buurt van de overloopstuw.
Gebruik een speciale eductor of sproeipijp die op de verwarmer is gericht. Een klein eductormondstuk dat 150–250 mm van de verwarmer is geplaatst en langs het oppervlak van de verwarmer is gericht, verhoogt de lokale snelheid tot 0,3–0,5 m/s. Dit is de meest betrouwbare methode om een veilige snelheid bij de verwarmer te handhaven.
Installeer een stromingsschakelaar of drukverschilsensor om circulatieverlies te detecteren. Een stromingsschakelaar in de afvoerleiding van de pomp schakelt de stroom naar de verwarmer uit als de stroming onder de veilige drempel daalt. De schakelaar moet onafhankelijk zijn van het hoofdbesturingssysteem en moet handmatig worden gereset.
Verlaag de wattdichtheid in zones met lage- stroming. Als de verwarmer moet werken op een locatie waar de stroom niet boven de 0,15 m/s kan worden gehouden, moet de wattdichtheid worden verlaagd om de oppervlaktetemperatuur van de verwarmer onder het plaatselijke kookpunt te houden. In stilstaande zones bedraagt de veilige wattdichtheid 0,6–0,8 W/cm².
Wanneer standaardverwarmers geen veilige snelheid kunnen handhaven
Tanks met complexe interne bevestigingen en beperkte circulatie kunnen vaak niet de stroomsnelheid leveren die een veilige werking van de verwarming vereist. Een verwarming die goed werkt in het hoofdtankvolume kan in een hoek of achter een armatuur gebrek aan stroming hebben.
Een op maat gemaakte configuratie van een PTFE-dompelverwarmer met een stroming-geoptimaliseerde positie, een speciale eductor en een lagere wattdichtheid pakt de hoofdoorzaak van stromingsgebrek aan. Het specificatieproces vereist de tankafmetingen, circulatie-indeling, verwarmingspositie, badchemie en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met meerdere tanks vermindert deze toepassing-specifieke aanpak het risico op dampdeken en verlengt de levensduur van de verwarming.
