Un impianto chimico ha sostituito un riscaldatore a immersione in PTFE in un bagno galvanico dopo nove mesi di servizio. Lo stesso modello di riscaldatore era durato quattro anni in un serbatoio simile in una struttura diversa. La differenza era la concentrazione di solidi disciolti. L'installazione fallita ha eseguito un bagno con 350 g/L di sali disciolti, mentre l'installazione riuscita ha funzionato con 120 g/L. La maggiore concentrazione di solidi aveva aumentato la viscosità e ridotto la conduttività termica del fluido, abbassando la densità di watt sicura.
I solidi disciolti influenzano il trasferimento di calore in due modi. Aumentano la viscosità del fluido, che ispessisce lo strato limite termico sulla superficie del riscaldatore. Riducono inoltre la conduttività termica del fluido, riducendo la velocità con cui il calore si muove attraverso il fluido. L'effetto combinato è un coefficiente di trasferimento del calore convettivo inferiore e una temperatura superficiale del riscaldatore più elevata per qualsiasi data densità di watt.
Come i solidi disciolti modificano le proprietà dei fluidi
All’aumentare della concentrazione dei solidi disciolti, il fluido diventa più viscoso e meno conduttivo termicamente. L'aumento della viscosità è più o meno lineare con la concentrazione per la maggior parte dei sali. La diminuzione della conduttività termica è minore ma comunque misurabile.
Un bagno galvanico con 300 g/L di sali disciolti può avere una viscosità da due a tre volte quella dell'acqua alla stessa temperatura. La conduttività termica può essere inferiore del 10–15%. Il coefficiente di scambio termico convettivo, che dipende da entrambe le proprietà, può essere inferiore del 25–40% rispetto all'acqua.
| Solidi disciolti | Viscosità relativa | Conducibilità termica relativa | Coefficiente convettivo rispetto all'acqua | Densità di Watt sicura |
|---|---|---|---|---|
| <50 g/L | 1.0–1.1× | 0.98–1.0× | 0.9–1.0× | 1,4–1,6 W/cm² |
| 50–150 g/L | 1.1–1.4× | 0.95–0.98× | 0.75–0.90× | 1,2–1,4 W/cm² |
| 150–250 g/L | 1.4–1.8× | 0.92–0.95× | 0.60–0.75× | 1,0–1,2 W/cm² |
| 250–350 g/L | 1.8–2.5× | 0.88–0.92× | 0.45–0.60× | 0,8–1,0 W/cm² |
| >350 g/L | >2.5× | <0.88× | <0.45× | 0,6–0,8 W/cm² |
Concentrazione di solidi disciolti e relativo effetto sulle proprietà del fluido e sulla densità di watt sicura
Perché lo stesso modello di riscaldatore fallisce con livelli di solidi elevati
Un riscaldatore che funziona a 1,2 W/cm² in un bagno a basso-solido può avere una temperatura superficiale di 15–18 gradi superiore a quella del fluido sfuso. Lo stesso riscaldatore in un bagno ad alto-solido può avere una temperatura superficiale di 25–35 gradi superiore a quella della massa. La temperatura superficiale più elevata accelera la permeazione, l'ossidazione e la deposizione di incrostazioni.
La temperatura superficiale più elevata aumenta anche la forza motrice per la deposizione. I sali disciolti che sono prossimi alla saturazione alla temperatura complessiva possono superare la saturazione sulla superficie del riscaldatore. Precipitano sulla superficie, formando uno strato di incrostazioni che aggiunge resistenza termica e aumenta ulteriormente la temperatura superficiale.
Limiti pratici di densità in watt per bagni ad alto contenuto di solidi-
Per bagni con solidi disciolti superiori a 250 g/L, la densità di watt sicura è 0,8–1,0 W/cm² in condizioni moderatamente agitate. Per bagni superiori a 350 g/L il limite scende a 0,6–0,8 W/cm². Questi valori presuppongono un limite di temperatura superficiale del riscaldatore di 100–110 gradi.
| Solidi disciolti | Temperatura | Densità di Watt sicura | Superficie per 5 kW | Vita utile prevista |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 gradi | 1,4 W/cm² | 3.571 cm² | 4–6 anni |
| 100–200 g/L | 60 gradi | 1,2 W/cm² | 4.167 cm² | 3–4 anni |
| 200–300 g/L | 60 gradi | 1,0 W/cm² | 5.000 cm² | 2–3 anni |
| 300–400 g/L | 60 gradi | 0,8 W/cm² | 6.250 cm² | 18-30 mesi |
| >400 g/L | 60 gradi | 0,6 W/cm² | 8.333 cm² | 12–24 mesi |
Requisiti sicuri di densità di watt e area superficiale in base alla concentrazione di solidi disciolti
Misurazione dei solidi disciolti
La concentrazione dei solidi disciolti può essere misurata evaporando un campione del bagno e pesando il residuo. La misurazione deve essere eseguita alla temperatura operativa o corretta in base alla temperatura operativa.
Un conduttimetro fornisce una stima rapida dei solidi disciolti. La conduttività è correlata alla concentrazione per la maggior parte dei bagni galvanici. La relazione deve essere calibrata per la chimica specifica del bagno.
Quando i riscaldatori standard non riescono a soddisfare i requisiti di densità di watt
I bagni galvanici ad alto-solido con requisiti di wattaggio elevati e spazio periferico limitato spesso non possono ospitare riscaldatori a immersione in PTFE standard alle basse densità di watt richieste dai prodotti chimici. Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con un'ampia superficie, una bassa densità di watt e una posizione di flusso-ottimizzata risolve la causa principale della mancata corrispondenza della densità di watt. Il processo di specifica richiede la concentrazione di solidi disciolti, la temperatura operativa, le dimensioni del serbatoio, le condizioni di flusso e la potenza richiesta. Per le strutture con bagni ad alto-solido, questo approccio specifico per l'applicazione-riduce il degrado del rivestimento e prolunga la durata di servizio del riscaldatore.
