Un impianto chimico ha perso un riscaldatore a immersione in PTFE da 6 kW quando la girante di una pompa di ricircolo si è erosa e il flusso è diminuito di circa il 60%. La temperatura del fluido sfuso è rimasta entro 3 gradi dal setpoint. Il controllore non ha riscontrato alcun problema. Ma la temperatura della superficie del riscaldatore era salita oltre il punto in cui il fluido in superficie aveva cominciato a vaporizzare. Si formò una coperta di vapore, il trasferimento di calore collassò e il PTFE si formò e si incrinò nel giro di poche ore.
La copertura del vapore è la modalità di guasto più improvvisa per un riscaldatore a immersione in PTFE. A differenza della permeazione o della fatica, che si sviluppano nel corso di mesi, la copertura può distruggere un riscaldatore in un unico turno. L'innesco è quasi sempre un calo della velocità del flusso sulla superficie del riscaldatore-la condizione che determina se il calore può lasciare il riscaldatore abbastanza velocemente da rimanere al di sotto del punto di ebollizione del fluido.
Perché la copertura del vapore avviene prima dell'ebollizione in massa
L'ebollizione di massa avviene quando l'intero fluido raggiunge il punto di ebollizione. La copertura del vapore avviene sulla superficie del riscaldatore mentre il fluido sfuso rimane ben al di sotto del punto di ebollizione. Il meccanismo è semplice: la temperatura della superficie del riscaldatore è sempre superiore alla temperatura del fluido sfuso. Se la differenza è sufficientemente grande, il fluido a contatto con il riscaldatore raggiunge il punto di ebollizione anche se il fluido circostante no.
Per l'acqua a 80 gradi, il punto di ebollizione è di 100 gradi a pressione atmosferica. Un riscaldatore che funziona a 25 gradi sopra la massa si trova a 105 gradi - sopra il punto di ebollizione locale. Sulla superficie del riscaldatore si formano bolle di vapore. Se il flusso è sufficiente, le bolle si staccano e collassano nel fluido sfuso più freddo. Se il flusso è debole, le bolle si uniscono in una coltre di vapore che isola il riscaldatore.
Una volta che la coperta si forma, il trasferimento di calore crolla. La temperatura della superficie del riscaldatore aumenta, spesso in pochi secondi, fino all'intervallo di degradazione del PTFE. Il polimero si ammorbidisce, si formano vesciche e si crepa. Il fallimento è irreversibile.
| Velocità del flusso al riscaldatore | Riscaldatore ΔT a 1,2 W/cm² | Temperatura del riscaldatore a 80 gradi | Rischio di accumulo di vapore | Velocità minima di sicurezza |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6-10 gradi | 86–90 gradi | Nessuno | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10-15 gradi | 90-95 gradi | Basso | Adeguato |
| 0.15–0.3 m/s | 15-22 gradi | 95-102 gradi | Moderare | Marginale |
| 0.05–0.15 m/s | 22-35 gradi | 102-115 gradi | Alto | Sotto il minimo |
| <0.05 m/s | 35-50 gradi | 115-130 gradi | Molto alto | Non sicuro |
Rischio di velocità del flusso e copertura del vapore per riscaldatori ad immersione in PTFE in bagni acquosi a 80 gradi
La soglia di velocità minima
La velocità del flusso minima richiesta per prevenire la copertura del vapore dipende dal fluido, dalla densità di watt e dalla temperatura della massa. Per i bagni a base d'acqua-a 60–80 gradi e densità di watt di 1,0–1,5 W/cm², una velocità superficiale del riscaldatore di almeno 0,15 m/s è generalmente sufficiente per staccare le bolle di vapore prima che si uniscano.
Al di sotto di 0,15 m/s il margine si restringe rapidamente. A 0,1 m/s, il gap tra il riscaldatore e il riscaldatore può superare i 25 gradi, spingendo la temperatura della superficie del riscaldatore oltre il punto di ebollizione locale nei bagni superiori a 70 gradi. A 0,05 m/s-effettivamente stagnante-il divario può superare i 40 gradi e la copertura del vapore inizia nei bagni con temperatura superiore a 60 gradi.
Per i fluidi viscosi, la velocità minima è maggiore. Un fluido con tre volte la viscosità dell'acqua richiede circa 1,5 volte la velocità per ottenere lo stesso spessore dello strato limite. Per il solfammato di nichel a 55 gradi, la velocità minima per un funzionamento sicuro a 1,2 W/cm² è di circa 0,25 m/s.
| Tipo di fluido | Viscosità alla temperatura operativa | Velocità minima a 1,0 W/cm² | Velocità minima a 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Acqua | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Acido diluito | 0,7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| Watt nichel | 2,0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Solfamato di nichel | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Nichel chimico | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Velocità di flusso minime per prevenire la copertura del vapore nelle installazioni di riscaldatori a immersione in PTFE
Perché le misurazioni del flusso a livello del serbatoio-sono fuorvianti
La velocità del flusso sulla superficie del riscaldatore è quasi sempre inferiore alla velocità media del serbatoio-. I tubi di distribuzione e gli eiettori sono posizionati in modo da spostare il fluido attorno ai pezzi, non attorno ai riscaldatori. Il riscaldatore spesso si trova in un angolo, dietro una guida a cremagliera o su una parete di fronte all'ingresso, dove la velocità locale è una frazione della media della massa.
Le misurazioni sul campo nelle vasche di placcatura mostrano costantemente velocità del livello del riscaldatore-del 30–70% inferiori alla media della vasca. Nelle zone morte la riduzione può essere dell’80–90%. Un serbatoio con una velocità nominale di 0,3 m/s può avere solo 0,05–0,1 m/s sulla superficie del riscaldatore.
Questo è il motivo per cui le misurazioni del flusso a livello del serbatoio-non possono essere utilizzate per verificare il funzionamento sicuro del riscaldatore. La misurazione deve essere effettuata nella posizione del riscaldatore oppure il riscaldatore deve essere posizionato in una zona nota ad alto flusso-con un margine adeguato.
Misure pratiche per mantenere una velocità sicura
Posizionare il riscaldatore nel percorso del flusso principale. La velocità più elevata e il flusso più uniforme si verificano al centro del serbatoio o direttamente in linea con l'ingresso di circolazione. Evitare gli angoli, dietro i deflettori e vicino allo stramazzo di troppopieno.
Utilizzare un eiettore dedicato o un tubo di scarico diretto al riscaldatore. Un piccolo ugello eduttore posizionato a 150–250 mm dal riscaldatore e puntato lungo la superficie del riscaldatore aumenta la velocità locale a 0,3–0,5 m/s. Questo è il metodo più affidabile per mantenere una velocità sicura presso il riscaldatore.
Installare un flussostato o un sensore differenziale di pressione per rilevare la perdita di circolazione. Un flussostato nella linea di scarico della pompa interrompe l'alimentazione al riscaldatore se il flusso scende al di sotto della soglia di sicurezza. L'interruttore dovrebbe essere indipendente dal sistema di controllo principale e dovrebbe richiedere un ripristino manuale.
Riduci la densità di watt nelle zone a-flusso basso. Se il riscaldatore deve funzionare in un luogo in cui non è possibile mantenere il flusso al di sopra di 0,15 m/s, la densità di watt deve essere ridotta per mantenere la temperatura della superficie del riscaldatore al di sotto del punto di ebollizione locale. Nelle zone stagnanti, la densità di watt sicura è 0,6–0,8 W/cm².
Quando i riscaldatori standard non riescono a mantenere una velocità sicura
I serbatoi con dispositivi interni complessi e una circolazione limitata spesso non sono in grado di fornire la velocità del flusso richiesta per il funzionamento sicuro del riscaldatore. Un riscaldatore che funziona bene nel volume del serbatoio principale può essere a corto di flusso in un angolo o dietro un apparecchio.
Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con una posizione di flusso-ottimizzata, un eduttore dedicato e una densità di watt inferiore risolve la causa principale della carenza di flusso. Il processo di specifica richiede le dimensioni del serbatoio, la disposizione della circolazione, la posizione del riscaldatore, la chimica del bagno e la potenza richiesta. Per le strutture con più serbatoi, questo approccio specifico-per l'applicazione riduce il rischio di copertura del vapore e prolunga la durata di servizio del riscaldatore.
