Simptom stratifikacije
Spremnik za galvanizaciju pokazuje stalnu razliku od 5 stupnjeva između senzora temperature blizu površine i kupke blizu dna spremnika. Dijelovi obloženi u gornjoj zoni zadovoljavaju specifikaciju. Dijelovi iz donje zone pokazuju naslage mat, ne{3}}boje. Operater podiže zadanu vrijednost kako bi dno doveo u raspon, pregrijavajući gornju zonu.
PTFE izmjenjivač topline isporučuje svoj nazivni učinak topline. Tlak pare je ispravan. Površina zavojnice je čista. Ipak, toplina ne dopire ravnomjerno do dna spremnika. Glavni uzrok nije nedostatak u izmjenjivaču, već u njegovom postavljanju: dubina uranjanja nije u skladu s geometrijom spremnika.
Fizika toplinske stratifikacije
Zagrijana otopina se širi i postaje manje gusta. U spremniku za oplatu, otopina zagrijana uronjenom zavojnicom izlazi na površinu. Hladnija, gušća otopina tone. Ova prirodna konvekcija stvara obrazac cirkulacije. Učinkovitost uzorka ovisi o tome gdje se izvor topline nalazi u okomitom vodenom stupcu.
PTFE zavojnica postavljena preblizu površini zagrijava samo gornju zonu. Zagrijana otopina lagano se diže i širi po vrhu spremnika. Donja zona prima toplinu samo sporom kondukcijom i slabom sekundarnom cirkulacijom. Stabilna termoklina tvori-vodoravnu ravninu koja odvaja toplu gornju otopinu od hladne donje otopine.
Zavojnica smještena blizu dna spremnika stvara najučinkovitiju cirkulaciju. Zagrijana otopina se diže kroz cijelu dubinu spremnika, zahvaćajući i miješajući puni volumen. Termoklina je slaba ili je nema. Moguća je ujednačenost temperature od ±1 stupnja.
Ispravna dubina uranjanja postavlja dno PTFE zavojnice što je moguće bliže dnu spremnika, istovremeno održavajući prostor za nakupljanje mulja i sprječavajući izravan kontakt s dnom spremnika.
Tablica 1: Učinak dubine uranjanja PTFE svitka na ujednačenost temperature (spremnik dubok 2,5 m, zadana vrijednost od 55 stupnjeva)
| Položaj zavojnice | Udaljenost od dna (mm) | Temperatura površine (stupnjevi) | Donja temperatura (stupnjevi) | Vertikalni ΔT (stupnjevi) | Ocjena ujednačenosti |
|---|---|---|---|---|---|
| Blizu površine | 2,000 | 57 | 50 | 7 | Jadno |
| Srednje-dubine | 1,200 | 56 | 52 | 4 | Fer |
| Donja trećina | 600 | 55.5 | 53.5 | 2 | Dobro |
| Blizu dna | 200 | 55 | 54 | 1 | Izvrsno |
| Na dnu (bez razmaka) | 0 | 55.5 | 55.5 | 0 (lokalni rizik od pregrijavanja) | Loše (pečenje mulja) |
Preslikavanje temperature iz niza termoparova u Watts kupelji nikla uz miješanje zrakom. PTFE rešetkasti svitak pokriva 60% površine poda spremnika. Zadana vrijednost 55 stupnjeva.
Interakcija agitacije
Zračno miješanje ili mehaničko miješanje modificira prirodni konvekcijski uzorak, ali ne ukida važnost postavljanja zavojnice. Mućkanjem se može kompenzirati suboptimalno uranjanje, ali po cijenu povećanja energije zraka ili pumpe.
Pravilno postavljena PTFE zavojnica blizu dna radi s prirodnom konvekcijom, a ne bori se s njom. Uzdižući toplinski oblak iz zavojnice pojačava obrazac mehaničkog miješanja. Manje energije miješanja postiže istu ujednačenost temperature.
Spremnici koji se oslanjaju isključivo na prirodnu konvekciju-uobičajeno u procesima bez električne energije gdje bi miješanje zraka destabiliziralo kupku-u potpunosti ovise o položaju zavojnice za miješanje. Postavljanje blizu-dna obavezno je za ove primjene.
Ispravljanje dubine uranjanja
Ispravljanje dubine uranjanja na postojećoj instalaciji može zahtijevati izmjenu potporne strukture zavojnice. PTFE zavojnice su lagane i mogu se lakše premjestiti nego metalne zavojnice. Potporne noge se mogu skratiti. Viseći nosači mogu se produžiti. Fleksibilna cijev omogućuje manje pomicanje bez naprezanja.
Ako se zavojnica ne može spustiti zbog prepreka na dnu spremnika ili postojećeg cjevovoda, dodavanje cirkulacijske pumpe ili eduktorskog sustava osigurava mehaničko miješanje kako bi se prevladala stratifikacija. Usis crpke trebao bi crpiti iz zone hladnog dna i ispuštati preko PTFE zavojnice za maksimalno preuzimanje topline.
Sažetak
Neispravna dubina uranjanja PTFE izmjenjivača topline uzrokuje toplinsku stratifikaciju kroz nepotpunu prirodnu konvekciju. Zavojnice postavljene previsoko zagrijavaju samo gornju zonu spremnika, ostavljajući dno hladno.
Postavljanje blizu-dna unutar 200-300 mm od dna spremnika proizvodi najbolju ujednačenost temperature kroz prirodnu konvekciju pune dubine. Mehaničko miješanje može kompenzirati neoptimalno postavljanje, ali povećava troškove energije. Bezelektrični procesi bez miješanja u potpunosti ovise o postavljanju zavojnice za miješanje.
Inženjerske preporuke za postavljanje PTFE zavojnice u posebne geometrije spremnika dostupne su nakon podnošenja dimenzija spremnika, radne dubine, postojećeg položaja zavojnice, metode miješanja i izmjerenih podataka o profilu vertikalne temperature.
