Kemijska tvornica upravljala je procesnim spremnikom od 2500- litara koji je bio visok 2200 mm i promjera 1200 mm. PTFE uronjeni grijač montiran je okomito duž stijenke spremnika. Grijač je otkazao nakon samo sedam mjeseci rada, a mjehurići su koncentrirani na gornjoj trećini grijanog dijela. Spremnik nije imao mehaničko miješanje - za distribuciju topline oslanjao se na prirodnu konvekciju. Toplinska stratifikacija koja se razvila u visokom spremniku stvorila je vrući sloj na vrhu i hladan sloj na dnu, a gornji dio grijača radio je u vrućem sloju.
Toplinska stratifikacija se događa kada tekućina razvije stabilne slojeve različitih temperatura. Slojevi se ne miješaju jer toplija, manje gusta tekućina ostaje na hladnijoj, gušćoj tekućini. U visokom spremniku sa slabom cirkulacijom raslojavanje može biti ozbiljno.
Zašto visoki spremnici stratificiraju
Stratifikaciju pokreće uzgon. Kada PTFE uronjeni grijač zagrijava tekućinu u blizini stijenke spremnika, zagrijana tekućina se diže. U kratkom spremniku tekućina koja se diže brzo dolazi do površine i širi se, miješajući se s masom. U visokom spremniku tekućina koja se diže formira stabilan sloj na vrhu. Sloj se produbljuje kako se nakuplja više zagrijane tekućine.
Temperaturna razlika između gornjeg i donjeg sloja može doseći 15-25 stupnjeva u visokom spremniku bez miješanja. Gornji sloj je topliji i manje gust. Donji sloj je hladniji i gušći. Sučelje između slojeva je stabilna granica koja se opire miješanju.
| Visina spremnika | Omjer visine-i-promjera | Prirodno konvekcijsko miješanje | Od vrha-do-dna ΔT | Rizik stratifikacije |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Dobro | 3-6 stupanj | Niska |
| 1.000–1.500 mm | 1:1 do 1,5:1 | Umjereno | 6-12 stupnjeva | Umjereno |
| 1.500–2.000 mm | 1,5:1 do 2:1 | Jadno | 12-18 stupnjeva | visoko |
| >2.000 mm | >2:1 | Vrlo siromašan | 18-25 stupnjeva | Vrlo visoko |
Visina spremnika i rizik od raslojavanja u procesnim spremnicima
Zašto stratifikacija skraćuje vijek trajanja PTFE grijača
Grijač radi u stratificiranom okruženju. Donji dio grijača nalazi se u hladnijoj, gušćoj tekućini. Gornji dio je u toplijoj, manje gustoj tekućini. Gornji dio radi na višoj temperaturi od donjeg dijela.
Viša temperatura ubrzava svaki mehanizam razgradnje. Propuštanje, oksidacija i taloženje kamenca povećavaju se s temperaturom. Gornji dio grijača razgrađuje se brže od donjeg dijela. Mjehurići se koncentriraju na vrhu.
Stratifikacija također smanjuje pokretačku silu za prijenos topline. Tekućina na vrhu spremnika je već topla, pa je temperaturna razlika između grijača i tekućine manja. Grijač mora biti topliji kako bi isporučio istu toplinu, što dodatno ubrzava razgradnju.
Zašto prirodna konvekcija ne može nadvladati stratifikaciju
Prirodnu konvekciju pokreće razlika u gustoći između zagrijane tekućine i hladnije tekućine. U visokom spremniku, razlika u gustoći nije dovoljno velika da prevlada stabilno raslojavanje. Zagrijana tekućina se diže i ostaje na vrhu. Ne miješa se s hladnijom tekućinom ispod.
Slojevitost postaje stabilnija kako se temperaturna razlika povećava. Razlika od 15 stupnjeva između gornjeg i donjeg sloja stvara razliku u gustoći koja se opire miješanju. Slojevi ostaju stabilni sve dok ih mehaničko miješanje ili smetnja ne slomi.
Sprječavanje raslojavanja u visokim spremnicima
Najučinkovitija prevencija je mehaničko miješanje. Cirkulacijska pumpa, eduktor ili raspršivač mogu razbiti stabilne slojeve i miješati spremnik. Miješanje mora biti dovoljno za preokret volumena spremnika u razumnom vremenu. Stopa obrtaja od 2-4 puta na sat dovoljna je za većinu procesnih spremnika.
Grijač s manjom gustoćom vata smanjuje temperaturnu razliku između grijača i tekućine. Niža površinska temperatura smanjuje raslojavanje-potaknuto uzgonom i usporava degradaciju gornjeg dijela grijača.
Višestruki grijači raspoređeni na različitim visinama u spremniku omogućuju ravnomjernije zagrijavanje i smanjuju temperaturni gradijent. Grijači na dnu zagrijavaju hladniju tekućinu, a grijači na vrhu održavaju topliju tekućinu. Rezultat je ujednačeniji profil temperature.
| Mjera prevencije | Učinak na stratifikaciju | Provedba | trošak |
|---|---|---|---|
| Mehaničko miješanje | Razbija slojeve | Pumpa, eduktor ili prskalica | Umjereno |
| Niža gustoća vata | Smanjuje uzgon | Dizajn grijača | Umjereno |
| Višestruki grijači na različitim visinama | Ujednačeno grijanje | Raspored grijača | viši |
| Izolacija spremnika | Smanjuje gubitak topline | Izolacija | Umjereno |
Mjere prevencije toplinske stratifikacije u visokim procesnim spremnicima
Kada stratifikacija ukazuje na problem dizajna
Visoki spremnik koji se raslojava unatoč mehaničkom miješanju ukazuje na to da miješanje ne doseže puni volumen spremnika ili da raspored grijača nije prikladan geometriji spremnika. Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s više grijača na različitim visinama, nižom gustoćom u vatima i rasporedom-optimiziranim protokom rješava glavni uzrok stratifikacije. Proces specifikacije zahtijeva dimenzije spremnika, metodu miješanja, zahtjev ujednačenosti temperature i potrebnu snagu u vatima. Za objekte s visokim procesnim spremnicima, ovaj-pristup specifičan za primjenu smanjuje raslojavanje i produljuje vijek trajanja grijača.
