En kemikalietank kan have tilstrækkelig varmekraft og stadig kæmpe for at nå en ensartet procestemperatur. En almindelig årsag er utilstrækkelig væskecirkulation omkringPTFE elpatron.
Når opvarmet væske forbliver tæt på varmelegemets overflade i stedet for at bevæge sig gennem tanken, udvikles temperaturgradienter. Regulatoren kan rapportere måltemperaturen, mens koldere områder forbliver andre steder i procestanken.
For kemisk udstyr bør valg af varmelegeme og væskebevægelse derfor behandles som ét termisk-designproblem.
Varmen skal flyttes væk fra varmeren
En elpatron omdanner elektrisk energi til termisk energi på dens aktive overflade. Den omgivende væske skal så føre den varme væk.
Et forenklet-varmeoverførselsforhold er:
Q=hAAT
hvorQoverføres varme,her den effektive-varmeoverførselskoefficient,Aer opvarmning af overfladeareal, ogΔTer temperaturforskellen mellem varmefladen og den omgivende væske.
Væskecirkulationen påvirkerh. Når flowet omkring varmelegemet er svagt, kan det termiske grænselag blive tykkere, og varmeoverførslen kan blive mindre effektiv.
Varmeren kan stadig bruge den forventede elektriske strøm, men temperaturfordelingen inde i tanken kan blive ujævn.
Naturlig konvektion er ikke altid nok
Når væske i nærheden af varmeren bliver varmere, kan dens massefylde ændre sig, og naturlig konvektion kan begynde. Dette kan skabe cirkulation uden pumpe.
Effektiviteten af naturlig konvektion afhænger dog af væskeegenskaber, temperaturforskel, tankgeometri, varmelegemeorientering og viskositet.
En væske med lav-viskositet i en dyb tank kan cirkulere relativt let. En koncentreret eller viskøs kemisk opløsning kan opføre sig anderledes.
Dette er grunden til, at et varmelegeme, der fungerer godt i et kemisk bad, ikke automatisk kan forventes at give samme temperaturensartethed i et andet bad med forskellige væskeegenskaber.
Mekanisk cirkulation ændrer det termiske miljø
Pumper, omrørere og procesflow kan øge væskens bevægelse omkring varmeoverfladen markant.
Den vigtige overvejelse er ikke blot den nominelle pumpeflowhastighed. Strømningsretning og lokal hastighed omkring varmelegemet har også betydning.
For eksempel kan en returledning skabe stærk cirkulation nær den ene side af tanken, mens den modsatte side efterlades relativt stillestående.
Ligeledes kan et varmelegeme, der er installeret direkte foran en stærk udledningsstrøm, opleve meget forskellige varme-overførselsforhold fra et andet varmelegeme, der er placeret i et hjørne med lavt-flow.
Varmeapparatets placering bør derfor vurderes sammen med cirkulationsmønsteret.
Varmeapparatets position kan påvirke cirkulationen
A PTFE elpatroninstalleret for tæt på en tankvæg kan begrænse væskebevægelser omkring en del af dens varmeoverflade.
Indvendige rør og strukturelle komponenter kan skabe lignende døde zoner.
For en kompakt tank skal flere dimensioner gennemgås:
Varmelegeme-til-vægafstand
Varmelegeme-til-bundafstand
Afstand fra indvendig rørføring
Afstand fra cirkulationsudtag
Afstand fra arbejdsemnets belastningsområder
Orientering af den aktive varmesektion
Målet er at opretholde tilstrækkelig væskeudveksling omkring den aktive overflade uden at skabe unødvendige strømningsbegrænsninger.
Varmeareal og cirkulation arbejder sammen
Overvej et illustrativt varmebehov på 12 kW.
| Opvarmningsarrangement | Magt | Aktivt område | Gennemsnitlig varmeflux | Cirkulationstilstand |
|---|---|---|---|---|
| Kompakt zone | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² | Svag |
| Fordelt zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Moderat |
| Fordelt zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Stærk |
Den gennemsnitlige varmestrøm er beregnet ud fra:
q = P/A
Disse tal er illustrative snarere end universelle driftsgrænser.
Sammenligningen viser, hvorfor strøm alene ikke beskriver termisk ydeevne. De samme 12 kW kan give forskellige driftsforhold afhængig af varmeareal og væskebevægelse.
Dårlig cirkulation kan forvrænge temperaturkontrol
Antag, at en temperatursensor er placeret i en godt-blandet del af tanken, mens varmelegemet sidder i et område med lav-gennemstrømning.
Sensoren kan nå måltemperaturen langsomt, hvilket får controlleren til at opretholde opvarmningen i længere tid. I mellemtiden kan væsken umiddelbart omkring varmelegemet blive væsentligt varmere end den målte bulktemperatur.
Den modsatte situation kan også forekomme, når sensoren er placeret tæt på en stærk cirkulationsvej, mens et andet område forbliver dårligt blandet.
Temperaturkortlægning på flere punkter kan hjælpe med at identificere disse forhold under idriftsættelsen.
Viskositet gør cirkulation vigtigere
Kemisk koncentration kan påvirke viskositeten. Efterhånden som viskositeten stiger, kan væskebevægelser blive vanskeligere, og naturlig konvektion kan svækkes.
Dette kan øge betydningen af mekanisk cirkulation, især når der kræves betydelig varmeeffekt.
En proces med høj viskositet bør derfor ikke dimensioneres ved hjælp af vand-lignende cirkulationsantagelser uden at kontrollere faktiske væskeegenskaber.
Det termiske design bør tage højde for densitet, viskositet, specifik varmekapacitet, driftstemperatur og cirkulationsmetode sammen.
Sådan evalueres cirkulation under udvælgelsen
Flere praktiske spørgsmål kan inkluderes i udstyrsspecifikationen:
Hvad er den normale procesflowhastighed?
Hvor kommer væsken ind og ud af tanken?
Er mekanisk omrøring tilgængelig?
Hvilke områder af tanken har svag cirkulation?
Hvor skal varmelegemet monteres?
Hvor vil temperaturen blive målt?
Ændres viskositeten væsentligt med temperatur eller koncentration?
Disse detaljer hjælper med at afgøre, om en distribueret varmezone eller flere mindre zoner er mere passende.
Cirkulation bør overvejes, før strømmen øges
Hvis en tank har dårlig temperaturensartethed, kan blot en forøgelse af varmerens effekt øge den lokale termiske belastning uden at løse det underliggende cirkulationsproblem.
En bedre tilgang er at undersøge varmeoverfladeareal, varmelegemeposition, strømningsretning, temperatur-sensorplacering og væskeegenskaber sammen.
For enPTFE elpatron, effektiv varmeoverførsel afhænger af mere end elektrisk input. Tilstrækkelig væskebevægelse hjælper med at transportere varme fra PTFE-overfladen ind i procesvolumenet og understøtter en mere ensartet badtemperatur.
Når cirkulationen er begrænset, tankgeometrien er uregelmæssig, eller den kemiske opløsning har høj viskositet, kan der udvikles et tilpasset varmearrangement omkring det faktiske strømningsmønster, det aktive varmeområde, nedsænkningsdybden og den nødvendige procestemperatur.
