Et kemisk anlæg mistede en 6 kW PTFE-elvarmer, da en recirkulationspumpe eroderede og flowet faldt med ca. 60 %. Bulkvæsketemperaturen forblev inden for 3 grader af sætpunktet. Controlleren så intet problem. Men varmelegemets overfladetemperatur var steget forbi det punkt, hvor væsken ved overfladen begyndte at fordampe. Et damptæppe dannede sig, varmeoverførslen kollapsede, og PTFE'et blev blæret og revnet inden for få timer.
Damptæppe er den mest pludselige fejltilstand for en PTFE-elvarmer. I modsætning til gennemtrængning eller træthed, som udvikler sig over måneder, kan tæpper ødelægge en varmelegeme på et enkelt skift. Udløseren er næsten altid et fald i strømningshastigheden ved varmelegemets overflade-betingelsen, der bestemmer, om varme kan forlade varmeren hurtigt nok til at holde sig under væskens kogepunkt.
Hvorfor dampdækning opstår før bulkkogning
Bulkkogning sker, når hele væsken når sit kogepunkt. Damptæppe sker ved varmelegemets overflade, mens bulkvæsken forbliver et godt stykke under kogepunktet. Mekanismen er ligetil: varmelegemets overfladetemperatur er altid højere end bulkvæsketemperaturen. Hvis forskellen er stor nok, når væsken i kontakt med varmelegemet sit kogepunkt, selvom den omgivende væske ikke gør det.
For vand ved 80 grader er kogepunktet 100 grader ved atmosfærisk tryk. Et varmelegeme, der fungerer 25 grader over bulk, sidder 105 grader -over det lokale kogepunkt. Der dannes dampbobler ved varmelegemets overflade. Hvis flowet er tilstrækkeligt, løsner boblerne sig og kollapser i den køligere bulkvæske. Hvis flowet er svagt, smelter boblerne sammen til et damptæppe, der isolerer varmeren.
Når tæppet er dannet, kollapser varmeoverførslen. Varmerens overfladetemperatur stiger, ofte inden for få sekunder, til PTFE-nedbrydningsområdet. Polymeren blødgør, blærer og revner. Fejlen er irreversibel.
| Flowhastighed ved varmelegeme | Varmelegeme ΔT ved 1,2 W/cm² | Varmetemperatur ved 80 grader Bulk | Risiko for dampdækning | Minimum sikker hastighed |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6-10 grader | 86–90 grader | Ingen | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10-15 grader | 90-95 grader | Lav | Tilstrækkelig |
| 0.15–0.3 m/s | 15-22 grader | 95-102 grader | Moderat | Marginal |
| 0.05–0.15 m/s | 22-35 grader | 102-115 grader | Høj | Under minimum |
| <0.05 m/s | 35-50 grader | 115-130 grader | Meget høj | Usikre |
Strømningshastighed og damptæpperisiko for PTFE dykvarmere i vandige bade ved 80 grader
Minimumhastighedstærsklen
Den minimale strømningshastighed, der kræves for at forhindre dampdækning, afhænger af væsken, watt-densiteten og bulktemperaturen. For vand-baserede bade ved 60-80 grader og watt-densiteter på 1,0-1,5 W/cm² er en varmefladehastighed på mindst 0,15 m/s generelt tilstrækkelig til at løsne dampbobler, før de smelter sammen.
Under 0,15 m/s indsnævres marginen hurtigt. Ved 0,1 m/s kan varmelegemet-til-massegabet overstige 25 grader, hvilket skubber varmelegemets overfladetemperatur forbi det lokale kogepunkt i bade over 70 grader . Ved 0,05 m/s-effektivt stillestående-kan afstanden overstige 40 grader, og damptæpper begynder i bade over 60 grader.
For viskøse væsker er minimumshastigheden højere. En væske med tre gange vands viskositet kræver ca. 1,5 gange hastigheden for at opnå den samme grænselagstykkelse. For nikkelsulfamat ved 55 grader er minimumshastigheden for sikker drift ved 1,2 W/cm² ca. 0,25 m/s.
| Væsketype | Viskositet ved driftstemperatur | Minimum hastighed ved 1,0 W/cm² | Minimum hastighed ved 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Vand | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Fortyndet syre | 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 |
| Nikkelsulfamat | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Elektrofri nikkel | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Minimumsstrømningshastigheder for at forhindre dampdækning i PTFE-elvarmeinstallationer
Hvorfor Tank-Niveauflowmålinger vildleder
Strømningshastigheden ved varmelegemets overflade er næsten altid lavere end tankens-gennemsnitshastighed. Spargerør og eduktorer er placeret til at flytte væske rundt om emner, ikke omkring varmelegemer. Varmeapparatet sidder ofte i et hjørne, bag en reolføring eller på en væg modsat indløbet, hvor den lokale hastighed er en brøkdel af hovedgennemsnittet.
Feltmålinger i pletteringstanke viser konsekvent varmelegeme-niveauhastigheder 30-70 % under tankgennemsnittet. I døde zoner kan reduktionen være 80–90 %. En tank med en nominel hastighed på 0,3 m/s må kun have 0,05-0,1 m/s ved varmelegemets overflade.
Dette er grunden til, at tank-flowmålinger ikke kan bruges til at bekræfte sikker drift af varmelegemet. Målingen skal foretages på varmeapparatets placering, eller varmeren skal placeres i en kendt høj-flowzone med tilstrækkelig margin.
Praktiske foranstaltninger til at opretholde sikker hastighed
Placer varmelegemet i hovedstrømningsvejen. Den højeste hastighed og mest ensartede strømning sker i midten af tanken eller direkte på linje med cirkulationsindtaget. Undgå hjørner, bag ledeplader og i nærheden af overløbsdæmningen.
Brug en dedikeret eduktor eller sprøjterør rettet mod varmeren. En lille eduktordyse placeret 150-250 mm fra varmeren og rettet langs varmelegemets overflade hæver den lokale hastighed til 0,3-0,5 m/s. Dette er den mest pålidelige metode til at opretholde sikker hastighed ved varmeren.
Installer en flowkontakt eller trykdifferensføler for at registrere tab af cirkulation. En flowkontakt i pumpens afgangsledning afbryder strømmen til varmeren, hvis flowet falder under den sikre tærskel. Kontakten skal være uafhængig af hovedkontrolsystemet og skal kræve manuel nulstilling.
Reducer watt-tætheden i lav-flowzoner. Hvis varmelegemet skal fungere på et sted, hvor flowet ikke kan holdes over 0,15 m/s, skal watt-tætheden reduceres for at holde varmelegemets overfladetemperatur under det lokale kogepunkt. I stillestående zoner er den sikre watt-tæthed 0,6-0,8 W/cm².
Når standardvarmere ikke kan opretholde sikker hastighed
Tanke med kompleks indvendig indretning og begrænset cirkulation kan ofte ikke levere den strømningshastighed, som sikker drift af varmeapparatet kræver. Et varmelegeme, der fungerer godt i hovedtankvolumenet, kan være udsultet af flow i et hjørne eller bag en armatur.
En tilpasset PTFE-elvarmerkonfiguration med en flow-optimeret position, en dedikeret eduktor og en lavere watt-tæthed adresserer årsagen til flow-sult. Specifikationsprocessen kræver tankdimensioner, cirkulationslayout, varmelegemeposition, badkemi og påkrævet watt. Til faciliteter med flere tanke reducerer denne applikations-specifikke tilgang risikoen for damptæpper og forlænger varmeapparatets levetid.
