Un serbatoio chimico può avere una potenza di riscaldamento sufficiente e tuttavia avere difficoltà a raggiungere una temperatura di processo uniforme. Una ragione comune è l'inadeguata circolazione del liquido attorno alRiscaldatore ad immersione in PTFE.
Quando il liquido riscaldato rimane vicino alla superficie del riscaldatore invece di muoversi attraverso il serbatoio, si sviluppano gradienti di temperatura. Il controller potrebbe segnalare la temperatura target mentre le regioni più fredde rimangono altrove nel serbatoio di processo.
Per le apparecchiature chimiche, la scelta del riscaldatore e il movimento del liquido dovrebbero pertanto essere trattati come un unico problema di progettazione termica.
Il calore deve allontanarsi dal riscaldatore
Un riscaldatore ad immersione converte l'energia elettrica in energia termica sulla sua superficie attiva. Il liquido circostante deve quindi portare via quel calore.
Una relazione di trasferimento termico-semplificata è:
Q=hAΔT
DoveQviene trasferito il calore,hè il coefficiente di trasferimento termico-effettivo,Asta riscaldando la superficie, eΔTè la differenza di temperatura tra la superficie riscaldante e il liquido circostante.
Influisce sulla circolazione del liquidoh. Quando il flusso intorno al riscaldatore è debole, lo strato limite termico può diventare più spesso e il trasferimento di calore può diventare meno efficace.
Il riscaldatore potrebbe comunque consumare la potenza elettrica prevista, ma la distribuzione della temperatura all'interno del serbatoio potrebbe diventare non uniforme.
La convezione naturale non è sempre sufficiente
Quando il liquido vicino al riscaldatore diventa più caldo, la sua densità può cambiare e può iniziare la convezione naturale. Ciò può creare la circolazione senza pompa.
Tuttavia, l’efficacia della convezione naturale dipende dalle proprietà del fluido, dalla differenza di temperatura, dalla geometria del serbatoio, dall’orientamento del riscaldatore e dalla viscosità.
Un liquido a bassa-viscosità in un serbatoio profondo può circolare con relativa facilità. Una soluzione chimica concentrata o viscosa può comportarsi diversamente.
Questo è il motivo per cui non ci si può aspettare che un riscaldatore che funzioni bene in un bagno chimico fornisca automaticamente la stessa uniformità di temperatura in un altro bagno con proprietà del fluido diverse.
La circolazione meccanica modifica l'ambiente termico
Pompe, agitatori e flusso di processo possono aumentare significativamente il movimento del liquido attorno alla superficie riscaldante.
La considerazione importante non è semplicemente la portata nominale della pompa. Anche la direzione del flusso e la velocità locale attorno al riscaldatore sono importanti.
Ad esempio, una linea di ritorno può creare una forte circolazione vicino a un lato del serbatoio lasciando il lato opposto relativamente stagnante.
Allo stesso modo, un riscaldatore installato direttamente di fronte a un forte flusso di scarico può sperimentare condizioni di trasferimento del calore-molto diverse da un altro riscaldatore posizionato in un angolo-a flusso basso.
La posizione del riscaldatore dovrebbe quindi essere valutata insieme allo schema di circolazione.
La posizione del riscaldatore può influenzare la circolazione
A Riscaldatore ad immersione in PTFEinstallato troppo vicino alla parete del serbatoio può limitare il movimento del liquido attorno a parte della sua superficie riscaldante.
Tubazioni interne e componenti strutturali possono creare zone morte simili.
Per un serbatoio compatto, è necessario rivedere diverse dimensioni:
Distanza dal riscaldatore-alla-parete
Riscaldatore-a-spazio inferiore
Distanza dalle tubazioni interne
Distanza dalle bocche di circolazione
Distanza dalle zone di carico pezzi
Orientamento della sezione di riscaldamento attiva
L'obiettivo è mantenere un adeguato scambio di liquidi attorno alla superficie attiva senza creare inutili restrizioni di flusso.
L'area di riscaldamento e la circolazione lavorano insieme
Consideriamo un fabbisogno di riscaldamento illustrativo di 12 kW.
| Predisposizione riscaldamento | Energia | Zona attiva | Flusso termico medio | Condizione di circolazione |
|---|---|---|---|---|
| Zona compatta | 12kW | 0.60 m² | 20 kW/m² | Debole |
| Zona distribuita | 12kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Moderare |
| Zona distribuita | 12kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Forte |
Il flusso termico medio si calcola da:
q = P/A
Queste cifre sono illustrative piuttosto che limiti operativi universali.
Il confronto mostra perché la potenza da sola non descrive le prestazioni termiche. Gli stessi 12 kW possono produrre diverse condizioni operative a seconda dell'area di riscaldamento e del movimento del liquido.
Una cattiva circolazione può distorcere il controllo della temperatura
Supponiamo che un sensore di temperatura sia posizionato in una sezione ben-miscelata del serbatoio mentre il riscaldatore si trova in una regione a basso-flusso.
Il sensore potrebbe raggiungere la temperatura target lentamente, costringendo il controller a mantenere il riscaldamento più a lungo. Nel frattempo, il liquido immediatamente circostante il riscaldatore può diventare notevolmente più caldo della temperatura complessiva misurata.
La situazione opposta può verificarsi anche quando il sensore si trova vicino a un percorso di forte circolazione mentre un'altra regione rimane scarsamente miscelata.
La mappatura della temperatura in diversi punti può aiutare a identificare queste condizioni durante la messa in servizio.
La viscosità rende la circolazione più importante
La concentrazione chimica può influenzare la viscosità. All’aumentare della viscosità, il movimento del fluido può diventare più difficile e la convezione naturale può indebolirsi.
Ciò può aumentare l’importanza della circolazione meccanica, in particolare quando è richiesta una notevole potenza di riscaldamento.
Pertanto, un processo ad alta viscosità non dovrebbe essere dimensionato utilizzando ipotesi di circolazione simile all'acqua-senza verificare le effettive proprietà del fluido.
La progettazione termica dovrebbe considerare insieme densità, viscosità, capacità termica specifica, temperatura operativa e metodo di circolazione.
Come valutare la circolazione durante la selezione
Diverse domande pratiche possono essere incluse nelle specifiche dell'attrezzatura:
Qual è la portata normale del processo?
Dove entra ed esce il liquido dal serbatoio?
È disponibile l'agitazione meccanica?
Quali aree della vasca hanno una circolazione debole?
Dove verrà installato il riscaldatore?
Dove verrà misurata la temperatura?
La viscosità cambia in modo significativo con la temperatura o la concentrazione?
Questi dettagli aiutano a determinare se è più appropriata una zona di riscaldamento distribuito o più zone più piccole.
La circolazione dovrebbe essere presa in considerazione prima di aumentare la potenza
Se un serbatoio ha una scarsa uniformità di temperatura, il semplice aumento della potenza del riscaldatore può aumentare il carico termico locale senza risolvere il problema di circolazione sottostante.
Un approccio migliore consiste nell'esaminare insieme la superficie riscaldante, la posizione del riscaldatore, la direzione del flusso, la posizione del sensore di temperatura-e le proprietà del fluido.
Per unRiscaldatore ad immersione in PTFE, il trasferimento di calore efficiente dipende da qualcosa di più dell’assorbimento elettrico. Un adeguato movimento del liquido aiuta a trasportare il calore dalla superficie del PTFE al volume del processo e supporta una temperatura del bagno più costante.
Quando la circolazione è limitata, la geometria del serbatoio è irregolare o la soluzione chimica ha un'elevata viscosità, è possibile sviluppare una disposizione personalizzata del riscaldatore in base al modello di flusso effettivo, all'area di riscaldamento attiva, alla profondità di immersione e alla temperatura di processo richiesta.
