Le soluzioni chimiche ad alta-viscosità creano un problema di riscaldamento diverso rispetto ai bagni a bassa-viscosità. Il riscaldatore può raggiungere la potenza elettrica richiesta, ma il serbatoio può ancora mostrare un lento recupero della temperatura o forti differenze di temperatura tra l'area del riscaldatore e il resto del liquido.
Per unRiscaldatore ad immersione in PTFE, la viscosità influisce sull'efficienza con cui il calore si allontana dalla superficie riscaldante. Pertanto è necessario considerare insieme la potenza del riscaldatore, la superficie attiva, la circolazione, la posizione di installazione e la geometria del serbatoio.
Perché la viscosità modifica le prestazioni di riscaldamento
Quando un liquido diventa più viscoso, la sua resistenza al flusso aumenta. La convezione naturale può indebolirsi, mentre anche la circolazione tramite pompe o agitatori può diventare meno efficace.
Il trasferimento di calore da un riscaldatore ad immersione può essere semplificato come:
Q=hAΔT
DoveQviene trasferito il calore,hè il coefficiente di trasferimento termico-effettivo,Aè l'area di riscaldamento attiva, eΔTè la differenza di temperatura tra la superficie riscaldante e il liquido circostante.
Quando il movimento del liquido attorno al riscaldatore è limitato,hpuò diminuire. Potrebbe quindi essere necessaria una maggiore differenza di temperatura per trasferire la stessa quantità di calore.
L'elevata viscosità può creare uno strato caldo attorno al riscaldatore
Una soluzione ad alta-viscosità potrebbe allontanarsi lentamente dalla superficie del riscaldatore.
Il liquido immediatamente circostante il riscaldatore può quindi diventare notevolmente più caldo della soluzione sfusa.
Ciò crea due problemi.
Il primo è la non-uniformità della temperatura. Il secondo è l'aumento del carico termico sulla superficie del riscaldatore.
Un sensore del serbatoio posizionato lontano dal riscaldatore può continuare a mostrare una temperatura inferiore al target anche se il liquido immediatamente circostante la superficie riscaldante è già molto più caldo.
Il semplice aumento della potenza del riscaldatore può rendere questa condizione più grave.
La superficie riscaldata diventa più importante
Il flusso termico medio della superficie riscaldante può essere stimato con:
q = P/A
DovePè energia elettrica eAè l'area di riscaldamento attiva.
Consideriamo un fabbisogno di riscaldamento illustrativo di 10 kW:
| Configurazione | Energia | Zona di riscaldamento attivo | Flusso termico medio |
|---|---|---|---|
| Riscaldatore compatto | 10 chilowatt | 0.50 m² | 20 kW/m² |
| Riscaldatore per-area media | 10 chilowatt | 0.80 m² | 12,5 kW/m² |
| Riscaldatore distribuito | 10 chilowatt | 1.20 m² | 8,3 kW/m² |
Queste cifre sono calcoli illustrativi, non valori operativi universali consentiti del PTFE.
L’aumento dell’area attiva può distribuire la stessa potenza elettrica su una superficie più ampia. Se questo migliora le prestazioni effettive del processo dipende dalla circolazione, dalle proprietà chimiche, dalla geometria del riscaldatore e dalle dimensioni del serbatoio.
I cambiamenti di temperatura possono influenzare la viscosità
Molti liquidi chimici diventano meno viscosi all’aumentare della temperatura.
Ciò crea una dinamica importante durante l'avvio.
All'inizio del riscaldamento, la soluzione può essere relativamente viscosa e la circolazione può essere scarsa. All'aumentare della temperatura, la viscosità può diminuire e il movimento del fluido può migliorare.
L'impianto di riscaldamento può quindi comportarsi in modo diverso durante l'avvio e il funzionamento a regime-.
Un riscaldatore dimensionato solo in base alla condizione di stato stazionario- potrebbe fornire prestazioni di avvio insufficienti se la viscosità iniziale è sostanzialmente più elevata.
La circolazione meccanica deve corrispondere al fluido
Per le soluzioni ad alta-viscosità, potrebbe essere necessaria la circolazione meccanica per spostare il calore attraverso il serbatoio.
Tuttavia, la sola capacità nominale della pompa non garantisce un efficace trasferimento di calore.
Il percorso del flusso dovrebbe raggiungere la zona di riscaldamento e trasportare il liquido riscaldato verso le parti più fredde del serbatoio.
Un sistema di circolazione che bypassa il riscaldatore può avere una portata complessiva elevata pur producendo un debole trasferimento di calore locale.
La posizione dell'agitatore, l'ingresso della pompa, la posizione di scarico, le tubazioni interne e il posizionamento del riscaldatore devono pertanto essere valutati come un sistema completo.
La posizione del riscaldatore può ridurre le zone stagnanti
Un riscaldatore installato in un angolo o vicino alla parete del serbatoio potrebbe presentare uno scambio di liquidi debole.
Per soluzioni viscose, questo problema può essere più pronunciato.
La superficie riscaldante attiva dovrebbe idealmente essere posizionata dove la circolazione raggiunge il riscaldatore da più direzioni o dove il flusso di processo è intenzionalmente diretto attraverso la zona di riscaldamento.
Lo spazio libero dal fondo e dalle pareti del serbatoio deve tenere conto anche dei sedimenti, dei depositi e dell'accesso per la manutenzione.
Il tempo di riscaldamento può essere stimato dalle proprietà del fluido
Supponiamo che un serbatoio illustrativo contenga 600 kg di una soluzione chimica ad alta-viscosità con una capacità termica specifica di 2,8 kJ/(kg·K). L'aumento di temperatura richiesto è di 40 gradi.
L’energia termica sensibile è:
Q=mcΔT
Q=600 × 2,8 × 40=67,200 kJ
Ciò equivale a circa 18,7 kWh.
Con un riscaldatore da 12 kW, il tempo di riscaldamento-sensibile ideale sarebbe di circa:
18.7 ÷ 12=1.56 ore
Il tempo di riscaldamento effettivo sarà più lungo a causa della perdita di calore del serbatoio, delle tubazioni, dell'evaporazione, del carico del pezzo e di altri effetti termici.
L'esempio mostra anche perché la scelta del riscaldatore dovrebbe utilizzare l'effettiva capacità termica specifica della soluzione chimica anziché assumere le proprietà dell'acqua.
L'alimentazione deve corrispondere alle effettive-condizioni di trasferimento del calore
Per i bagni ad alta-viscosità, la scelta di un riscaldatore con potenza eccessiva può creare un ambiente termico difficile.
Un approccio migliore è bilanciare:
Tasso di riscaldamento richiesto
Zona di riscaldamento attivo
Flusso termico medio
Capacità di circolazione
Viscosità del bagno
Temperatura operativa
Geometria del serbatoio
Requisito di uniformità della temperatura
L’obiettivo non è semplicemente la massima potenza termica. L'obiettivo utile è un trasferimento di calore sufficiente senza un'eccessiva concentrazione termica locale.
Quali informazioni dovrebbero essere incluse nell'approvvigionamento?
Un'applicazione chimica ad alta-viscosità dovrebbe fornire:
Composizione chimica
Viscosità alla temperatura di avvio
Viscosità alla temperatura di esercizio
Capacità termica specifica
Densità
Temperatura target
Tempo di riscaldamento richiesto
Dimensioni del serbatoio
Metodo di circolazione
Livello minimo del liquido
Potenza del riscaldatore richiesta
Alimentazione elettrica disponibile
Queste informazioni consentono aRiscaldatore ad immersione in PTFEessere progettato in base al comportamento effettivo del fluido anziché a un presupposto semplificato-basato sull'acqua.
Per soluzioni particolarmente viscose, circolazione limitata, serbatoi profondi o grandi carichi di riscaldamento, la superficie di riscaldamento personalizzata e la geometria del riscaldatore possono fornire una migliore distribuzione termica. La configurazione finale dovrebbe bilanciare il flusso di calore, la circolazione, la profondità di immersione e la temperatura di processo per ottenere un riscaldamento stabile in tutto il serbatoio chimico.
