En kjemikalietank kan ha tilstrekkelig varmekraft og fortsatt slite med å nå en jevn prosesstemperatur. En vanlig årsak er utilstrekkelig væskesirkulasjon rundtPTFE elpatron.
Når oppvarmet væske forblir nær varmeoverflaten i stedet for å bevege seg gjennom tanken, utvikles temperaturgradienter. Kontrolleren kan rapportere måltemperaturen mens kaldere områder forblir andre steder i prosesstanken.
For kjemisk utstyr bør valg av varmeapparat og væskebevegelse derfor behandles som ett termisk-designproblem.
Varmen må flyttes bort fra varmeren
En el-patron konverterer elektrisk energi til termisk energi på sin aktive overflate. Den omkringliggende væsken må da frakte den varmen bort.
Et forenklet-varmeoverføringsforhold er:
Q=haΔT
hvorQoverføres varme,her den effektive-varmeoverføringskoeffisienten,Aer oppvarming av overflateareal, ogΔTer temperaturforskjellen mellom varmeoverflaten og omgivende væske.
Væskesirkulasjonen påvirkerh. Når strømmen rundt varmeren er svak, kan det termiske grenselaget bli tykkere og varmeoverføringen kan bli mindre effektiv.
Varmeren kan fortsatt bruke den forventede elektriske kraften, men temperaturfordelingen inne i tanken kan bli ujevn.
Naturlig konveksjon er ikke alltid nok
Når væske i nærheten av varmeren blir varmere, kan dens tetthet endres og naturlig konveksjon kan begynne. Dette kan skape sirkulasjon uten pumpe.
Effektiviteten til naturlig konveksjon avhenger imidlertid av væskeegenskaper, temperaturforskjell, tankgeometri, varmeapparatets orientering og viskositet.
En væske med lav-viskositet i en dyp tank kan sirkulere relativt lett. En konsentrert eller viskøs kjemisk løsning kan oppføre seg annerledes.
Dette er grunnen til at en varmeovn som fungerer godt i ett kjemisk bad ikke automatisk kan forventes å gi samme temperaturuniformitet i et annet bad med forskjellige væskeegenskaper.
Mekanisk sirkulasjon endrer det termiske miljøet
Pumper, agitatorer og prosessstrøm kan øke væskebevegelsen rundt varmeoverflaten betydelig.
Det viktige hensynet er ikke bare den nominelle pumpens strømningshastighet. Strømningsretning og lokal hastighet rundt varmeren har også betydning.
For eksempel kan en returledning skape sterk sirkulasjon nær den ene siden av tanken mens den motstående siden blir relativt stillestående.
På samme måte kan en varmeovn installert rett foran en sterk utløpsstrøm oppleve svært forskjellige varme-overføringsforhold fra en annen varmeovn plassert i et hjørne med lav-strøm.
Varmeapparatets plassering bør derfor vurderes sammen med sirkulasjonsmønsteret.
Varmeapparatets posisjon kan påvirke sirkulasjonen
A PTFE elpatroninstallert for nær en tankvegg kan begrense væskebevegelse rundt deler av dens varmeoverflate.
Innvendige rør og strukturelle komponenter kan skape lignende dødsoner.
For en kompakt tank bør flere dimensjoner vurderes:
Varmeapparat-til-veggklaring
Varmer-til-bunnklaring
Avstand fra innvendig rør
Avstand fra sirkulasjonsuttak
Avstand fra arbeidsstykkets lasteområder
Orientering av den aktive varmeseksjonen
Målet er å opprettholde tilstrekkelig væskeutveksling rundt den aktive overflaten uten å skape unødvendige strømningsbegrensninger.
Oppvarmingsområde og sirkulasjon fungerer sammen
Tenk på et illustrerende varmebehov på 12 kW.
| Oppvarmingsarrangement | Makt | Aktivt område | Gjennomsnittlig varmefluks | Sirkulasjonstilstand |
|---|---|---|---|---|
| Kompakt sone | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² | Svak |
| Distribuert sone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Moderat |
| Distribuert sone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Sterk |
Gjennomsnittlig varmefluks beregnes fra:
q = P/A
Disse tallene er illustrative snarere enn universelle driftsgrenser.
Sammenligningen viser hvorfor kraft alene ikke beskriver termisk ytelse. De samme 12 kW kan gi ulike driftsforhold avhengig av oppvarmingsområde og væskebevegelse.
Dårlig sirkulasjon kan forvrenge temperaturkontrollen
Anta at en temperatursensor er plassert i en godt-blandet del av tanken mens varmeren sitter i et område med lav-strøm.
Sensoren kan nå måltemperaturen sakte, noe som får kontrolleren til å opprettholde oppvarmingen lenger. I mellomtiden kan væsken umiddelbart rundt varmeren bli betydelig varmere enn den målte bulktemperaturen.
Den motsatte situasjonen kan også oppstå når sensoren er plassert nær en sterk sirkulasjonsbane mens en annen region forblir dårlig blandet.
Temperaturkartlegging på flere punkter kan bidra til å identifisere disse forholdene under idriftsettelse.
Viskositet gjør sirkulasjon viktigere
Kjemisk konsentrasjon kan påvirke viskositeten. Når viskositeten øker, kan væskebevegelse bli vanskeligere og naturlig konveksjon kan svekkes.
Dette kan øke betydningen av mekanisk sirkulasjon, spesielt når det kreves betydelig varmeeffekt.
En prosess med høy viskositet bør derfor ikke dimensjoneres med vann-lignende sirkulasjonsforutsetninger uten å sjekke faktiske væskeegenskaper.
Den termiske utformingen bør vurdere tetthet, viskositet, spesifikk varmekapasitet, driftstemperatur og sirkulasjonsmetode sammen.
Hvordan evaluere sirkulasjon under utvelgelse
Flere praktiske spørsmål kan inkluderes i utstyrsspesifikasjonen:
Hva er normal prosessstrømningshastighet?
Hvor kommer væske inn og ut av tanken?
Er mekanisk omrøring tilgjengelig?
Hvilke områder av tanken har svak sirkulasjon?
Hvor skal varmeapparatet installeres?
Hvor skal temperaturen måles?
Endres viskositeten betydelig med temperatur eller konsentrasjon?
Disse detaljene er med på å avgjøre om én distribuert varmesone eller flere mindre soner er mer hensiktsmessig.
Sirkulasjon bør vurderes før kraftøkning
Hvis en tank har dårlig temperaturjevnhet, kan det å øke varmeeffekten øke den lokale termiske belastningen uten å løse det underliggende sirkulasjonsproblemet.
En bedre tilnærming er å undersøke varmeoverflateareal, varmeapparatposisjon, strømningsretning, temperatur-sensorplassering og væskeegenskaper sammen.
For enPTFE elpatron, effektiv varmeoverføring avhenger av mer enn elektrisk inngang. Tilstrekkelig væskebevegelse hjelper til med å transportere varme fra PTFE-overflaten inn i prosessvolumet og støtter mer konsistent badtemperatur.
Når sirkulasjonen er begrenset, tankgeometrien er uregelmessig, eller den kjemiske løsningen har høy viskositet, kan et tilpasset oppvarmingsarrangement utvikles rundt det faktiske strømningsmønsteret, aktivt oppvarmingsområde, nedsenkingsdybde og nødvendig prosesstemperatur.
