Een chemicaliëntank kan voldoende verwarmingsvermogen hebben en toch moeite hebben om een uniforme procestemperatuur te bereiken. Een veel voorkomende reden is onvoldoende vloeistofcirculatie rond dePTFE-dompelverwarmer.
Wanneer verwarmde vloeistof dicht bij het verwarmingsoppervlak blijft in plaats van door de tank te bewegen, ontstaan er temperatuurgradiënten. De controller kan de doeltemperatuur rapporteren terwijl elders in de procestank koudere gebieden achterblijven.
Voor chemische apparatuur moeten de keuze van de verwarmer en de vloeistofbeweging daarom worden behandeld als één thermisch-ontwerpprobleem.
Warmte moet weggaan van de verwarming
Een dompelverwarmer zet elektrische energie op zijn actieve oppervlak om in thermische energie. De omringende vloeistof moet die warmte vervolgens afvoeren.
Een vereenvoudigde warmteoverdrachtsrelatie- is:
Q=hAΔT
waarQwordt warmte overgedragen,his de effectieve warmte-overdrachtscoëfficiënt,Ais het verwarmingsoppervlak, enΔTis het temperatuurverschil tussen het verwarmingsoppervlak en de omringende vloeistof.
Vloeistofcirculatie heeft invloedh. Wanneer de stroming rond de verwarmer zwak is, kan de thermische grenslaag dikker worden en kan de warmteoverdracht minder effectief worden.
De verwarming verbruikt mogelijk nog steeds het verwachte elektrische vermogen, maar de temperatuurverdeling in de tank kan ongelijkmatig worden.
Natuurlijke convectie is niet altijd voldoende
Wanneer de vloeistof in de buurt van de verwarmer warmer wordt, kan de dichtheid ervan veranderen en kan er natuurlijke convectie ontstaan. Hierdoor kan er circulatie ontstaan zonder pomp.
De effectiviteit van natuurlijke convectie hangt echter af van de vloeistofeigenschappen, het temperatuurverschil, de tankgeometrie, de oriëntatie van de verwarmer en de viscositeit.
Een vloeistof met een lage- viscositeit in een diepe tank kan relatief gemakkelijk circuleren. Een geconcentreerde of stroperige chemische oplossing kan zich anders gedragen.
Dit is de reden dat van een verwarmer die goed presteert in het ene chemische bad niet automatisch kan worden verwacht dat hij dezelfde temperatuuruniformiteit biedt in een ander bad met andere vloeistofeigenschappen.
Mechanische circulatie verandert de thermische omgeving
Pompen, roerwerken en processtroom kunnen de vloeistofbeweging rond het verwarmingsoppervlak aanzienlijk vergroten.
De belangrijke overweging is niet alleen het nominale pompdebiet. De stroomrichting en de lokale snelheid rond de verwarmer zijn ook van belang.
Een retourleiding kan bijvoorbeeld een sterke circulatie creëren nabij één kant van de tank, terwijl de andere kant relatief stagneert.
Op dezelfde manier kan een verwarming die direct voor een sterke afvoerstroom is geïnstalleerd, heel andere warmteoverdrachtsomstandigheden ervaren dan een andere verwarming die in een hoek met weinig stroming is geplaatst.
De locatie van de verwarming moet daarom samen met het circulatiepatroon worden geëvalueerd.
De positie van de verwarming kan de bloedsomloop beïnvloeden
A PTFE-dompelverwarmerte dicht bij een tankwand geïnstalleerd, kan de vloeistofbeweging rond een deel van het verwarmingsoppervlak beperken.
Interne leidingen en structurele componenten kunnen soortgelijke dode zones creëren.
Voor een compacte tank moeten verschillende afmetingen worden beoordeeld:
Verwarming-tot-afstand tot de muur
Verwarming-tot-onderruimte
Afstand tot interne leidingen
Afstand tot circulatie-uitgangen
Afstand tot werkstuklaadgebieden
Oriëntatie van het actieve verwarmingsgedeelte
Het doel is om voldoende vloeistofuitwisseling rond het actieve oppervlak te behouden zonder onnodige stroombeperkingen te creëren.
Verwarmingsruimte en circulatie werken samen
Neem bijvoorbeeld een verwarmingsbehoefte van 12 kW.
| Verwarmingsopstelling | Stroom | Actief gebied | Gemiddelde warmteflux | Conditie van de circulatie |
|---|---|---|---|---|
| Compacte zone | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² | Zwak |
| Gedistribueerde zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Gematigd |
| Gedistribueerde zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Sterk |
De gemiddelde warmteflux wordt berekend op basis van:
q = P/A
Deze cijfers zijn eerder illustratief dan universele bedrijfslimieten.
De vergelijking laat zien waarom alleen vermogen de thermische prestaties niet beschrijft. Dezelfde 12 kW kan verschillende bedrijfsomstandigheden produceren, afhankelijk van het verwarmingsoppervlak en de vloeistofbeweging.
Een slechte circulatie kan de temperatuurregeling verstoren
Stel dat er een temperatuursensor in een goed-gemengd gedeelte van de tank is geplaatst, terwijl de verwarming zich in een gebied met lage- stroom bevindt.
Het kan zijn dat de sensor de doeltemperatuur langzaam bereikt, waardoor de controller de verwarming langer vasthoudt. Ondertussen kan de vloeistof die de verwarmer omringt aanzienlijk heter worden dan de gemeten bulktemperatuur.
De tegenovergestelde situatie kan zich ook voordoen wanneer de sensor zich dicht bij een sterk circulatiepad bevindt, terwijl een ander gebied slecht gemengd blijft.
Het in kaart brengen van de temperatuur op verschillende punten kan helpen bij het identificeren van deze omstandigheden tijdens de inbedrijfstelling.
Viscositeit maakt circulatie belangrijker
Chemische concentratie kan de viscositeit beïnvloeden. Naarmate de viscositeit toeneemt, kan de vloeistofbeweging moeilijker worden en kan de natuurlijke convectie verzwakken.
Dit kan het belang van mechanische circulatie vergroten, vooral wanneer aanzienlijk verwarmingsvermogen vereist is.
Een proces met een hoge viscositeit mag daarom niet worden gedimensioneerd op basis van water-achtige circulatieaannames zonder de feitelijke vloeistofeigenschappen te controleren.
Bij het thermische ontwerp moet rekening worden gehouden met de dichtheid, viscositeit, soortelijke warmtecapaciteit, bedrijfstemperatuur en circulatiemethode.
Hoe u de circulatie kunt evalueren tijdens selectie
In de apparatuurspecificatie kunnen een aantal praktische vragen worden opgenomen:
Wat is de normale processtroomsnelheid?
Waar komt vloeistof de tank binnen en verlaat deze?
Is mechanische roering beschikbaar?
Welke delen van de tank hebben een zwakke circulatie?
Waar wordt de verwarming geïnstalleerd?
Waar wordt de temperatuur gemeten?
Verandert de viscositeit aanzienlijk met de temperatuur of de concentratie?
Deze details helpen bepalen of één verdeelde verwarmingszone of meerdere kleinere zones geschikter zijn.
Er moet rekening worden gehouden met de circulatie voordat het vermogen wordt vergroot
Als een tank een slechte temperatuuruniformiteit heeft, kan het simpelweg verhogen van het verwarmingsvermogen de lokale thermische belasting verhogen zonder het onderliggende circulatieprobleem op te lossen.
Een betere aanpak is om het verwarmingsoppervlak, de positie van de verwarmer, de stroomrichting, de locatie van de temperatuur-sensor en de vloeistofeigenschappen samen te onderzoeken.
Voor eenPTFE-dompelverwarmer, hangt efficiënte warmteoverdracht af van meer dan alleen elektrische input. Adequate vloeistofbeweging helpt warmte van het PTFE-oppervlak naar het procesvolume te transporteren en ondersteunt een consistentere badtemperatuur.
Wanneer de circulatie beperkt is, de tankgeometrie onregelmatig is of de chemische oplossing een hoge viscositeit heeft, kan een op maat gemaakte verwarmingsopstelling worden ontwikkeld rond het feitelijke stromingspatroon, het actieve verwarmingsoppervlak, de onderdompelingsdiepte en de vereiste procestemperatuur.
