Un serbatoio chimico può contenere lo stesso volume di liquido ma comportarsi in modo molto diverso da un lotto di produzione all'altro. I cambiamenti nella concentrazione chimica possono alterare la densità, la viscosità, la capacità termica e la circolazione del liquido. Questi cambiamenti influenzano direttamente il modo in cui aRiscaldatore ad immersione in PTFEtrasferisce il calore nel bagno.
Per gli ingegneri che dimensionano le apparecchiature di riscaldamento, la densità del liquido dovrebbe quindi essere considerata insieme alla concentrazione e alle proprietà termiche piuttosto che trattata come una specifica isolata.
La densità modifica la massa effettiva da riscaldare
La capacità del serbatoio è solitamente espressa in litri o metri cubi, mentre i calcoli del riscaldamento dipendono dalla massa.
La relazione fondamentale è:
m = ρV
Dovemè massa liquida,ρè la densità eVè il volume del liquido.
Ad esempio, un serbatoio da 1.000 L contenente una soluzione con densità di 1,20 kg/L contiene circa 1.200 kg di liquido.
Se lo stesso serbatoio contiene una soluzione con densità inferiore-di 1,00 kg/l, la massa liquida sarà solo di circa 1.000 kg.
Questa differenza influisce sulla quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura del bagno.
Per il riscaldamento sensibile:
Q=mcΔT
Pertanto, due liquidi che occupano lo stesso volume del serbatoio possono richiedere energia termica diversa quando le loro densità e capacità termiche specifiche differiscono.
La sola densità non determina il trasferimento di calore
Un malinteso comune in ambito ingegneristico è quello di presupporre che una densità maggiore significhi automaticamente un trasferimento di calore migliore o peggiore.
La densità è solo una parte del quadro della proprietà-fluida.
Il trasferimento di calore attorno a un riscaldatore a immersione in PTFE è influenzato anche dalla viscosità, dalla capacità termica specifica, dalla conduttività termica, dalla velocità del liquido, dalla geometria del riscaldatore e dalla differenza di temperatura.
Una relazione semplificata è:
Q=hAΔT
Qui,hrappresenta il coefficiente di trasferimento termico-effettivo eArappresenta la zona di riscaldamento attiva.
La densità può influenzare il comportamento del fluido, ma non ne fornisce direttamente il valoreh. Il movimento dei fluidi e la viscosità possono essere ugualmente importanti.
Le soluzioni concentrate possono modificare diverse proprietà insieme
In molti processi chimici, la densità aumenta all’aumentare della concentrazione della sostanza chimica disciolta. Allo stesso tempo, la viscosità e la capacità termica specifica possono cambiare.
Questo crea un effetto di design combinato.
Una soluzione concentrata può contenere più massa per unità di volume, aumentando il carico termico-sensibile. Se aumenta anche la viscosità, la circolazione attorno al riscaldatore potrebbe diventare meno efficace.
Il risultato può essere un processo in cui la stessa potenza nominale del riscaldatore produce una diversa risposta alla temperatura al variare della concentrazione chimica.
Per questo motivo, i calcoli del riscaldamento basati solo sul volume del serbatoio possono diventare imprecisi per le soluzioni chimiche concentrate.
Perché la superficie del riscaldatore è ancora importante
Supponiamo che un processo richieda 12 kW di potenza termica.
Un riscaldatore compatto con una piccola area attiva e un riscaldatore più lungo con un'area attiva maggiore possono entrambi fornire 12 kW elettrici. Tuttavia, il loro flusso di calore superficiale medio sarà diverso.
Il calcolo semplificato è:
q = P/A
Doveqè il flusso termico medio.
Consideriamo due configurazioni illustrative:
| Disposizione del riscaldatore | Energia | Zona di riscaldamento attivo | Flusso termico medio |
|---|---|---|---|
| Configurazione compatta | 12kW | 0.60 m² | 20 kW/m² |
| Configurazione distribuita | 12kW | 1.20 m² | 10 kW/m² |
Questi valori sono illustrativi e non rappresentano i limiti operativi universali del PTFE.
La disposizione distribuita può fornire un flusso di calore superficiale medio inferiore, ma le prestazioni effettive dipendono comunque dalla circolazione, dalla geometria dell'installazione, dalla chimica del bagno e dalla struttura del riscaldatore.
Il movimento dei liquidi può diventare il fattore limitante
Quando una soluzione chimica densa o viscosa si muove lentamente, il calore può accumularsi attorno alla superficie del riscaldatore più velocemente di quanto venga trasportato nel bagno circostante.
Ciò può creare una differenza di temperatura locale tra il liquido immediatamente attorno al riscaldatore e la soluzione sfusa.
Un sensore della temperatura del serbatoio può comunque segnalare la temperatura media desiderata mentre la superficie del riscaldatore presenta condizioni sostanzialmente diverse.
L'agitazione meccanica, la circolazione della pompa, la distanza tra i riscaldatori e la posizione di installazione devono pertanto essere valutati insieme.
Per i serbatoi chimici di grandi dimensioni, la distribuzione delle zone di riscaldamento può anche aiutare a evitare di concentrare il carico termico in una regione.
La densità dovrebbe essere inclusa nei calcoli del-tempo di riscaldamento
Consideriamo una soluzione chimica illustrativa da 1.500 L con una densità di 1,15 kg/L. La massa liquida approssimativa è:
m=1.15 × 1,500=1,725 kg
Se si presuppone che la capacità termica specifica sia 3,2 kJ/(kg·K) e l'aumento di temperatura richiesto è di 30 gradi:
Q=1,725 × 3,2 × 30=165,600 kJ
Ciò equivale a circa 46 kWh di energia termica sensibile.
Un riscaldatore da 20 kW richiederebbe teoricamente circa 2,3 ore in condizioni ideali. Il tempo di riscaldamento effettivo sarebbe più lungo perché anche le pareti del serbatoio, le tubazioni, i pezzi in lavorazione, l’evaporazione e le perdite di calore ambientale consumano energia.
Il calcolo dimostra perché la densità e la capacità termica specifica dovrebbero essere incluse nella stima della capacità di riscaldamento.
Quali dati devono essere forniti per la selezione del riscaldatore?
Per un processo chimico che utilizza aRiscaldatore ad immersione in PTFE, le informazioni utili sui fluidi includono:
Densità del liquido o gravità specifica
Concentrazione chimica
Capacità termica specifica
Viscosità
Conduttività termica quando disponibile
Intervallo di temperatura operativa
Tasso di riscaldamento richiesto
Metodo di circolazione o agitazione
Livello del liquido normale e minimo
Dimensioni del serbatoio
Pertanto è meglio trattare la densità come parte di un profilo di proprietà termica-più ampio.
Quando la densità cambia in modo significativo con la concentrazione chimica, il dimensionamento del riscaldatore deve essere controllato nell'ambito dell'intervallo operativo effettivo anziché rispetto a una singola condizione nominale. La combinazione delle proprietà del fluido con la superficie di riscaldamento, la distribuzione dell'energia, la circolazione e la geometria del serbatoio fornisce una base più affidabile per la selezione del riscaldatore a immersione in PTFE e un design industriale personalizzato.
