Un impianto chimico utilizzava un serbatoio di processo da 2.500-litri, alto 2.200 mm e con un diametro di 1.200 mm. Un riscaldatore ad immersione in PTFE è stato montato verticalmente lungo la parete del serbatoio. Il riscaldatore si è guastato dopo soli sette mesi di servizio, con formazione di vesciche concentrate nel terzo superiore della sezione riscaldata. Il serbatoio non aveva agitazione meccanica: si basava sulla convezione naturale per distribuire il calore. La stratificazione termica che si sviluppava nell'alto serbatoio creava uno strato caldo nella parte superiore e uno strato freddo nella parte inferiore, e la sezione superiore del riscaldatore operava nello strato caldo.
La stratificazione termica si verifica quando un fluido sviluppa strati stabili di diverse temperature. Gli strati non si mescolano perché il fluido più caldo e meno denso rimane sopra il fluido più freddo e denso. In un acquario alto con circolazione debole, la stratificazione può essere grave.
Perché i serbatoi alti si stratificano
La stratificazione è guidata dalla galleggiabilità. Quando un riscaldatore ad immersione in PTFE riscalda il fluido vicino alla parete del serbatoio, il fluido riscaldato sale. In una vasca corta, il fluido lievitante raggiunge rapidamente la superficie e si diffonde mescolandosi alla massa. In un serbatoio alto, il fluido in risalita forma uno strato stabile nella parte superiore. Lo strato si approfondisce man mano che si accumula più fluido riscaldato.
La differenza di temperatura tra lo strato superiore e quello inferiore può raggiungere i 15–25 gradi in un acquario alto senza agitazione. Lo strato superiore è più caldo e meno denso. Lo strato inferiore è più fresco e denso. L'interfaccia tra gli strati è un confine stabile che resiste alla miscelazione.
| Altezza del serbatoio | Rapporto tra altezza-e-diametro | Miscelazione a convezione naturale | ΔT dall'alto-al-basso | Rischio di stratificazione |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Bene | 3-6 gradi | Basso |
| 1.000–1.500 millimetri | Da 1:1 a 1,5:1 | Moderare | 6-12 gradi | Moderare |
| 1.500–2.000 mm | Da 1,5:1 a 2:1 | Povero | 12-18 gradi | Alto |
| >2.000 mm | >2:1 | Molto povero | 18-25 gradi | Molto alto |
Altezza dei serbatoi e rischio di stratificazione nei serbatoi di processo
Perché la stratificazione riduce la durata del riscaldatore in PTFE
Il riscaldatore funziona in un ambiente stratificato. La sezione inferiore del riscaldatore si trova nel fluido più freddo e denso. La sezione superiore si trova nel fluido più caldo e meno denso. La sezione superiore funziona a una temperatura più elevata rispetto alla sezione inferiore.
La temperatura più elevata accelera ogni meccanismo di degrado. La permeazione, l'ossidazione e la deposizione di incrostazioni aumentano con la temperatura. La sezione superiore del riscaldatore si degrada più velocemente della sezione inferiore. Le vesciche si concentrano nella parte superiore.
La stratificazione riduce anche la forza motrice per il trasferimento di calore. Il fluido nella parte superiore del serbatoio è già caldo, quindi la differenza di temperatura tra il riscaldatore e il fluido è minore. Il riscaldatore deve diventare più caldo per fornire lo stesso calore, il che accelera ulteriormente il degrado.
Perché la convezione naturale non può superare la stratificazione
La convezione naturale è guidata dalla differenza di densità tra il fluido riscaldato e il fluido più freddo. In un acquario alto, la differenza di densità non è abbastanza grande da superare la stratificazione stabile. Il fluido riscaldato sale e rimane in alto. Non si mescola con il fluido più freddo sottostante.
La stratificazione diventa più stabile all’aumentare della differenza di temperatura. Una differenza di 15 gradi tra gli strati superiore e inferiore crea una differenza di densità che resiste alla miscelazione. Gli strati rimangono stabili finché un'agitazione meccanica o un disturbo non li rompe.
Prevenire la stratificazione nei serbatoi alti
La prevenzione più efficace è l'agitazione meccanica. Una pompa di circolazione, un eiettore o un tubo di scarico possono frantumare gli strati stabili e mescolare il serbatoio. L'agitazione deve essere sufficiente a ribaltare il volume del serbatoio in un tempo ragionevole. Per la maggior parte dei serbatoi di processo è adeguato un tasso di ricambio di 2–4 volte all'ora.
Un riscaldatore con una densità di watt inferiore riduce la differenza di temperatura tra il riscaldatore e il fluido. La temperatura superficiale più bassa riduce la stratificazione determinata dalla galleggiabilità-e rallenta il degrado della sezione superiore del riscaldatore.
Più riscaldatori distribuiti a diverse altezze nel serbatoio forniscono un riscaldamento più uniforme e riducono il gradiente di temperatura. I riscaldatori nella parte inferiore riscaldano il fluido più freddo, mentre i riscaldatori nella parte superiore mantengono il fluido più caldo. Il risultato è un profilo di temperatura più uniforme.
| Misura di prevenzione | Effetto sulla stratificazione | Attuazione | Costo |
|---|---|---|---|
| Agitazione meccanica | Rompe gli strati | Pompa, eduttore o sparge | Moderare |
| Densità di watt inferiore | Riduce la galleggiabilità | Progettazione del riscaldatore | Moderare |
| Riscaldatori multipli a diverse altezze | Riscaldamento uniforme | Disposizione del riscaldatore | Più alto |
| Isolamento del serbatoio | Riduce la perdita di calore | Isolamento | Moderare |
Misure di prevenzione della stratificazione termica nei serbatoi di processo alti
Quando la stratificazione indica un problema di progettazione
Un serbatoio alto che si stratifica nonostante l'agitazione meccanica indica che l'agitazione non raggiunge l'intero volume del serbatoio o che la disposizione del riscaldatore non è adatta alla geometria del serbatoio. Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con più riscaldatori a diverse altezze, una densità di watt inferiore e un layout ottimizzato per il flusso- affronta la causa principale della stratificazione. Il processo di specifica richiede le dimensioni del serbatoio, il metodo di agitazione, i requisiti di uniformità della temperatura e la potenza richiesta. Per gli impianti con serbatoi di processo alti, questo approccio specifico-per l'applicazione riduce la stratificazione e prolunga la durata utile del riscaldatore.
