Kemijske otopine visoke-viskoznosti stvaraju drugačiji problem grijanja od kupki niske-viskoznosti. Grijač može postići potrebnu električnu snagu, ali spremnik još uvijek može pokazivati spor oporavak temperature ili jake temperaturne razlike između područja grijača i ostatka tekućine.
Za aPTFE uronjeni grijač, viskoznost utječe na to koliko se učinkovito toplina udaljava od grijaće površine. Snaga grijača, aktivna površina, cirkulacija, položaj ugradnje i geometrija spremnika stoga se moraju razmatrati zajedno.
Zašto viskoznost mijenja učinak grijanja
Kada tekućina postane viskoznija, njezin otpor protoku se povećava. Prirodna konvekcija može postati slabija, dok cirkulacija iz pumpi ili mješalica također može postati manje učinkovita.
Prijenos topline iz uronjenog grijača može se pojednostaviti kao:
Q=hAΔT
gdjeQprenosi se toplina,hje efektivni koeficijent prijenosa-topline,Aje aktivno grijaće područje, iΔTje temperaturna razlika između ogrjevne površine i okolne tekućine.
Kada je kretanje tekućine oko grijača ograničeno,hmože smanjiti. Tada može biti potrebna veća temperaturna razlika za prijenos iste količine topline.
Visoka viskoznost može stvoriti vrući sloj oko grijača
Otopina visoke{0}}viskoznosti može se polako udaljavati od površine grijača.
Tekućina koja neposredno okružuje grijač stoga može postati znatno toplija od rasute otopine.
To stvara dva problema.
Prvi je temperaturna ne{0}}ujednačenost. Drugi je povećano toplinsko opterećenje na površini grijača.
Senzor spremnika postavljen daleko od grijača može nastaviti pokazivati temperaturu ispod ciljne iako je tekućina koja neposredno okružuje grijaću površinu već mnogo toplija.
Jednostavno povećanje snage grijača može pogoršati ovo stanje.
Površina grijanja postaje sve važnija
Prosječni toplinski tok površine grijanja može se procijeniti pomoću:
q = P/A
gdjePje električna energija iAje aktivno područje grijanja.
Razmotrite ilustrativni zahtjev za grijanje od 10 kW:
| Konfiguracija | Vlast | Aktivno područje grijanja | Prosječni toplinski tok |
|---|---|---|---|
| Kompaktan grijač | 10 kW | 0.50 m² | 20 kW/m² |
| Srednji{0}}grijač prostora | 10 kW | 0.80 m² | 12,5 kW/m² |
| Distribuirani grijač | 10 kW | 1.20 m² | 8,3 kW/m² |
Ove brojke su ilustrativni izračuni, a ne univerzalne dopuštene radne vrijednosti PTFE-a.
Povećanje aktivnog područja može distribuirati istu električnu snagu preko veće površine. Hoće li to poboljšati stvarnu izvedbu procesa ovisi o cirkulaciji, kemijskim svojstvima, geometriji grijača i dimenzijama spremnika.
Promjene temperature mogu utjecati na viskoznost
Mnoge kemijske tekućine postaju manje viskozne kako temperatura raste.
To stvara važnu dinamiku tijekom pokretanja.
Na početku zagrijavanja otopina može biti relativno viskozna i cirkulacija može biti loša. Kako temperatura raste, viskoznost se može smanjiti i kretanje tekućine može se poboljšati.
Sustav grijanja se stoga može ponašati različito tijekom pokretanja i rada-stacionarnog stanja.
Grijač veličine samo iz stacionarnog-stanja može pružiti nedovoljne performanse pokretanja ako je početna viskoznost znatno viša.
Mehanička cirkulacija mora odgovarati tekućini
Za otopine visoke{0}}viskoznosti može biti potrebna mehanička cirkulacija za prijenos topline kroz spremnik.
Međutim, nazivni kapacitet pumpe sam po sebi ne jamči učinkovit prijenos topline.
Put protoka treba doseći zonu grijanja i transportirati zagrijanu tekućinu prema hladnijim dijelovima spremnika.
Cirkulacijski sustav koji zaobilazi grijač može imati visok ukupni protok dok još uvijek proizvodi slab lokalni prijenos topline.
Položaj mješalice, ulaz pumpe, mjesto pražnjenja, unutarnji cjevovod i smještaj grijača stoga treba ocijeniti kao cjeloviti sustav.
Položaj grijača može smanjiti zastojne zone
Grijač instaliran u kutu ili blizu stijenke spremnika može imati slabu izmjenu tekućine.
Za viskozne otopine ovaj problem može biti izraženiji.
Aktivna grijaća površina bi idealno trebala biti postavljena tamo gdje cirkulacija dopire do grijača iz više smjerova ili gdje je tok procesa namjerno usmjeren preko zone grijanja.
Razmak od dna i zidova spremnika također treba uzeti u obzir sediment, naslage i pristup održavanju.
Vrijeme zagrijavanja može se procijeniti iz svojstava tekućine
Pretpostavimo da ilustrativni spremnik sadrži 600 kg kemijske otopine visoke-viskoznosti sa specifičnim toplinskim kapacitetom od 2,8 kJ/(kg·K). Potrebno povećanje temperature je 40 stupnjeva.
Osjetna toplinska energija je:
Q=mcΔT
Q=600 × 2,8 × 40=67, 200 kJ
To je približno 18,7 kWh.
S grijačem od 12 kW, idealno razumno-vrijeme grijanja bilo bi otprilike:
18,7 ÷ 12=1.56 sati
Stvarno vrijeme zagrijavanja bit će duže zbog gubitka topline spremnika, cjevovoda, isparavanja, opterećenja obratka i drugih toplinskih učinaka.
Primjer također pokazuje zašto bi odabir grijača trebao koristiti stvarni specifični toplinski kapacitet kemijske otopine, a ne pretpostaviti svojstva vode.
Snaga bi trebala odgovarati stvarnom{0}}uvjetu prijenosa topline
Za kupke visoke{0}}viskoznosti, odabir grijača s pretjeranom snagom može stvoriti teško toplinsko okruženje.
Bolji pristup je uravnotežiti:
Potrebna brzina zagrijavanja
Aktivno područje grijanja
Prosječni toplinski tok
Kapacitet cirkulacije
Viskoznost kupke
Radna temperatura
Geometrija spremnika
Zahtjev za ujednačenošću temperature
Cilj nije samo maksimalna snaga grijanja. Korisni cilj je dovoljan prijenos topline bez prekomjerne lokalne toplinske koncentracije.
Koje informacije treba uključiti u nabavu?
Primjena kemikalije visoke{0}}viskoznosti trebala bi osigurati:
Kemijski sastav
Viskoznost pri početnoj temperaturi
Viskoznost na radnoj temperaturi
Specifični toplinski kapacitet
Gustoća
Ciljana temperatura
Potrebno vrijeme zagrijavanja
Dimenzije spremnika
Metoda cirkulacije
Minimalna razina tekućine
Potrebna snaga grijača
Dostupna struja
Ove informacije omogućuju aPTFE uronjeni grijačbiti dizajniran oko stvarnog ponašanja tekućine, a ne pojednostavljene pretpostavke-temeljene na vodi.
Za posebno viskozne otopine, ograničenu cirkulaciju, duboke spremnike ili velika opterećenja grijanja, prilagođena površina grijaće površine i geometrija grijača mogu pružiti bolju raspodjelu topline. Konačna konfiguracija trebala bi uravnotežiti toplinski tok, cirkulaciju, dubinu uranjanja i temperaturu procesa kako bi se postiglo stabilno zagrijavanje u cijelom kemijskom spremniku.
