Deep Tank-problemet
Et kjemikalielager driver 4000 L vertikale kar, 3000 mm høye og bare 1200 mm brede. To PTFE varmeplater er montert nær bunnen, hver 1200 mm lang. Temperaturen på toppen av karet går 8-10 grader kjøligere enn bunnen. Det lagrede kjemikaliet krever jevn temperatur for å opprettholde viskositeten, men bunnen er varm og toppen kald. Operatører har prøvd høyere effektinnstillinger, lengre oppvarmingssykluser og til og med lagt til et ekstra sett med plater. Ingenting løser stratifiseringen.
Høye, smale kar utgjør en grunnleggende oppvarmingsutfordring. Varmen stiger, og i en høy kolonne er temperaturforskjellen mellom bunn og topp forutsigbar og vedvarende.
Hvorfor høye fartøy stratifisere
I et høyt kar stiger oppvarmet væske langs varmeflaten til toppen. På toppen mister den varme til headspace og til karveggene. Den avkjølte væsken faller deretter ned langs den motsatte veggen. Dette skaper en sirkulasjonssløyfe, men det er ikke en fullstendig blandet sløyfe-det er en lagdelt kolonne med varm væske som stiger og kjølig væske som synker.
Temperaturforskjellen mellom de stigende og synkende bekkene avhenger av høyden. For hver meter av fartøyets høyde er den naturlige temperaturgradienten omtrent 3-5 grader. I et 3000 mm fartøy er det 9-15 graders forskjell mellom bunn og topp.
| Fartøyets høyde | Naturlig temperaturgradient | Plater kun nederst | Plater fordelt vertikalt |
|---|---|---|---|
| 1.500 mm | 4-7 grader | 6-8 graders spredning | 2-3 graders spredning |
| 2000 mm | 6-9 grader | 8-12 graders spredning | 3-4 graders spredning |
| 2.500 mm | 8-12 grader | 10-15 graders spredning | 3-5 graders spredning |
| 3000 mm | 9-15 grader | 12-18 graders spredning | 4-6 graders spredning |
| 4000 mm | 12-20 grader | 15-25 graders spredning | 5-8 graders spredning |
Bunn-oppvarmingsantakelsen
De fleste varmeoppsett forutsetter at det er tilstrekkelig å plassere plater i bunnen. Logikken gir mening-varmen stiger, så oppvarming fra bunnen bør varme opp hele karet. I grunne tanker (mindre enn 1500 mm dype) fungerer dette rimelig bra. Den oppvarmede væsken når toppen før den taper for mye varme.
I høye kar mister den -bunnoppvarmede væsken varme når den stiger. Innen den når toppen har temperaturen sunket betraktelig. Den kjølige væsken som kommer ned fra toppen avkjøler deretter de nedre delene ytterligere. Nettoeffekten er en jevn-temperaturgradient som bunnoppvarming alene ikke kan overvinne.
Den distribuerte platestrategien
Fordeling av varmeplater i flere høyder langs karveggen bryter lagdelingsmønsteret. I stedet for én oppvarmet sone i bunnen, varmer flere soner væsken i forskjellige høyder, noe som reduserer temperaturforskjellen mellom de stigende og synkende bekkene.
En typisk layout for et 3000 mm fartøy bruker tre plater: en på 300 mm fra bunnen, en på 1200 mm og en på 2100 mm. Hver plate styres uavhengig, med midtre og øvre plate satt litt lavere enn bunnplaten for å forhindre overoppheting.
Kraftdistribusjonsstrategien
Platene i forskjellige høyder skal ikke kjøre med samme kraft. Bunnplaten har mest arbeid å gjøre-den varmer opp væsken som stiger gjennom hele karet. De øvre platene trenger mindre strøm fordi væsken de varmer opp har mindre avstand å reise før de når toppen.
Typisk kraftfordeling for et layout med tre-plater: bunnplate ved 100 % effekt, midtplate ved 70–80 %, topplate ved 50–60 %. Total kraft ligner på et enkelt platearrangement, men fordeling forhindrer lagdeling.
| Plateposisjon | Anbefalt kraft | Hensikt |
|---|---|---|
| Bunn (300 mm opp) | 100% | Primær varmetilførsel, varmer hele kolonnen |
| Midt (1200 mm opp) | 70-80% | Varmer opp stigende væske, hindrer avkjøling |
| Øvre (2100 mm opp) | 50-60% | Toppsonevarme, reduserer overflatetap |
Den ene-tredje regelen
En praktisk retningslinje for plateavstand: del opp karhøyden i tredjedeler og plasser plater ved grensene. I et 3000 mm kar, plater på 1000 mm og 2000 mm, pluss bunnvarme. Dette gir jevn varmetilførsel på hvert nivå, og forhindrer bunn-til-temperaturgradient.
Den-tredje regelen gjelder for fartøy som er høyere enn 2000 mm. For kortere fartøy er det tilstrekkelig med to-plater (nederst og en i 2/3 høyde). For kar som er kortere enn 1500 mm, er bunnvarme alene tilstrekkelig for de fleste bruksområder.
Praktiske monteringshensyn
Bunnklaring: Bunnplaten må ha tilstrekkelig klaring for sirkulasjon. Minst 100-150 mm mellom platebunnen og karbunnen lar oppvarmet væske strømme fritt.
Sideveggmontering: Plater på sideveggene skal plasseres slik at den oppvarmede væsken stiger langs veggoverflaten. Plassering av plater for nært veggsenter reduserer sirkulasjonen.
Tilgang for vedlikehold: Plater i flere høyder krever tilgang på hvert nivå. Dersom fartøyet har begrenset adkomst, må planløsningen utformes med tanke på vedlikehold.
Når skal du legge til sirkulasjon
I kar høyere enn 3500 mm kan det hende at selv distribuert oppvarming ikke helt eliminerer lagdeling. For disse karene anbefales sirkulasjonspumper. En langsom resirkulering-0,2-0,5 m/s blander væsken nok til å forhindre stratifisering samtidig som den gir minimale driftskostnader.
Et anlegg med 4500 mm kar installerte en enkelt resirkulasjonspumpe med distribuert varme og redusert lagdeling fra 12 grader til 3 grader. Pumpen la til 500 dollar per år i strømkostnader, men forbedret produktkvaliteten nok til å rettferdiggjøre investeringen.
Implementeringssekvens
Mål gjeldende gradient.Installer termoelementer med 500 mm intervaller fra bunn til topp. Kjør karet i 24 timer og registrer temperaturprofilen. Disse grunndataene bestemmer den nødvendige korreksjonen.
Start med fordelte plater.Layoutendringen gir den største forbedringen. Installer platene i den-tredje posisjonen og still inn strømfordelingen som beskrevet. Mål den nye gradienten etter 24 timer.
Legg til sirkulasjon om nødvendig.Hvis gradienten forblir over 3-4 grader etter distribuert oppvarming, legg til en resirkulasjonspumpe. Lavhastighetssirkulasjon bryter lagdelingen uten å øke energiforbruket vesentlig.
Investeringen i distribuert oppvarming betaler seg vanligvis tilbake gjennom forbedret produktkonsistens. For kjemiske lagringsapplikasjoner overstiger kostnaden for ut-av-spesifisert materiale ofte kostnaden for oppgradering av varmesystemet med 3-5 ganger. Dataene fra flere anlegg bekrefter at temperaturgradienter under 3 grader kan oppnås med distribuert oppvarming i kar opp til 4000 mm høye. Utover den høyden blir sirkulasjonen viktig.
