Як розрахувати необхідну довжину нагрівача PFA для резервуара з мінімальним рівнем рідини 500 мм і максимальним рівнем 2000 мм без перегріву зони випаровування?

Нагрівач PFA, який є надмірно довгим, матиме надмірну кількість впливу на зону випаровування при низьких рівнях рідини в резервуарі зі змінними рівнями рідини (таких як пакетна обробка, випарники або резервуари для гасіння), що призводить до перегріву та ранньої відмови. Мінімальний рівень рідини-а не максимальний-визначає необхідну довжину нагрівача. Безпечна конструкція підтримує відкриту ділянку обігрівача (зона випаровування) на рівні 20–25% або менше від його загальної довжини. Максимальна довжина нагрівача становить 500 / (1 – 0,25)=667 мм для мінімального рівня рідини 500 мм. Це гарантує, що відкрита частина працює при нижчій температурі поверхні і що принаймні 75% нагрівача залишається зануреним на найнижчому рівні. Встановіть кілька рознесених нагрівачів або використовуйте нагрівач із не-однорідною щільністю ват (нижча вихідна потужність у верхній зоні), якщо довший нагрівач потрібен для постійного нагріву при максимальному наповненні.

Механізм перегріву парової зони
Коефіцієнт теплопередачі (h) у зоні рідини зазвичай становить від 500 до 5000 Вт/м²·К. H зменшується до 10–100 Вт/м²·K у зоні випаровування (повітря, пара або кислотні пари). Температура поверхні в зоні пари нагрівача з рівномірною щільністю ват q (Вт/см²) становить T_vapor=T_ambient + q / h_vapor. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 градусів неможливий для q=3 Вт/см² (30 000 Вт/м²) і h_vapor=30 Вт/м²·K. Температура оболонки PFA все ще може перевищувати 250–350 градусів, що може призвести до плавлення або серйозного пошкодження, навіть якщо нагрівач справді само-регулюється, коли опір зростає з температурою. Оскільки тепловий потік безпечної зони випаровування менше або дорівнює 1,0 Вт/см², q_vapor має бути менше або дорівнювати 10 000 Вт/м². q_vapor=q_liquid для рівномірного нагріву. Для забезпечення того, щоб ефективна площа розсіювання тепла в зоні випаровування була достатньо великою для зниження фактичного потоку, єдиний спосіб підтримувати зону випаровування в безпеці – це обмежити частку нагрівача, що піддається впливу. Однак відкрита частина все ще виробляє таку саму кількість електроенергії на одиницю довжини за умови, що нагрівач має однакову щільність ват. Підвищення температури залежить від фіксованої h_vapor. Швидше можна використовувати довший нагрівач з такою ж загальною потужністю, щоб зменшити щільність ват (q) у всьому нагрівачі. q=P / (π × D × L) для заданої загальної потужності P і довжини L. Q зменшується пропорційно зі збільшенням L.

Метод визначення мінімальної довжини нагрівача Нехай:

L_min – найнижчий рівень рідини в міліметрах.

L_heater — загальна довжина нагрівача (мм).

f_exposed=L_exposed / L_heater=відсоток впливу=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design – це щільність ват (Вт/см²), яка визначається площею поверхні та загальною потужністю.

Для безпечного функціонування парової зони тепловий потік має бути меншим або дорівнювати q_max_vapor=1.0 Вт/см². З іншого боку, зона випаровування відчуває той самий q, якщо нагрівач має рівномірний q. Як наслідок, обігрівач має бути створений з невеликою відкритою частиною або низьким загальним q, щоб навіть відкрита частина була безпечною. Найбільш розумною стратегією є зменшення f_exposed до значення Менше або дорівнює 0,25 і проектування з низьким загальним q (менше або дорівнює 1,5 Вт/см²).

Як правило, L_heater < L_min / (1 – f_max), де f_max є максимально допустимою часткою впливу (зазвичай між 0,20 і 0,25). L_heater Менше або дорівнює 500 / 0.75=667 мм для L_min=500 мм.

Необхідна довжина обігрівача для різних рівнів
Мінімальний рівень рідини (мм) Максимальний рівень рідини (мм) Рекомендована довжина нагрівача (мм) Мінімальний рівень експонованої частки (%) Загальний q (Вт/см²) при 6 кВт, зовнішній діаметр 25 мм Зона безпеки 500 2, 000 650 23% 4,7 (зависокий) Небезпечно, якщо q не зменшено 500 2,000 1,200 58% 2,5 Небезпечно (занадто високий вплив) 500 2,000 650 (лише з 3 кВт) 23% 2,35 Прийнятний (q низький) 800 2,000 1,000 20% 3,0 Граничний (q при обмеженні) 800 2,000 1,200 (зі зниженою потужністю) 33% 2,0 (знижена) Прийнятний 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Добре
Кілька нагрівачів, розміщених у шаховому порядку, є відповіддю, якщо необхідна довжина нагрівача для повного покриття на максимальному рівні значно більша, ніж безпечна довжина на мінімальному рівні. Наприклад, середній нагрівач (1200 мм) розмістіть вище, довгий (2000 мм) зверху, короткий (650 мм) внизу. Коли рівень низький, працює лише нижній нагрівач; коли він заповнений, усі вони працюють.

Приклад у Полі
The minimum liquid level in a waste evaporator was 600 mm, while the highest was 2,500 mm. There was only one 2,000 mm PFA heater installed. 1,400 mm (70%) was exposed to vapor at the lowest level. Within three months, the heater broke down. The plant replaced it with three heaters: 600 mm (1.5 kW), 1,200 mm (2 kW), and 2,000 mm (2.5 kW), each with level sensors. The 600 mm heater only turned on when level >650 mm. The 2,000 mm heater only turned on when level >1800 мм. Жоден обігрівач ніколи не бачив більше 20% впливу. Усі три обігрівачі прослужили 5+ років.

Не-однорідна густина ват як альтернатива
Якщо численні нагрівачі недоступні, виберіть один нагрівач із не-рівномірною щільністю ват: верхні 30% довжини нагрівача забезпечують лише 20% потужності на одиницю довжини, тоді як нижні 70% виробляють 80%. Це можна зробити шляхом зміни кроку резистивного дроту (див. статтю №25). Відкрита верхня зона має зменшений тепловий потік на мінімальному рівні, що знижує температуру поверхні. Незважаючи на те, що така конструкція збільшує виробничі витрати на 20–30%, вона дає змогу одному обігрівачу працювати з різними налаштуваннями.

На завершення, довжина основного нагрівача з мінімальним рівнем рідини 20–25% дозволеного впливу
Щоб уникнути перегріву зони випаровування, довжину нагрівача PFA для бака зі змінним рівнем рідини слід визначати з мінімального, а не максимального рівня рідини. Безпечна конструкція зберігає відсоток впливу на рівні 20–25% або нижче на мінімальному рівні. Максимальна довжина нагрівача становить 650-670 мм при мінімальному рівні 500 мм. Використовуйте нагрівач із не-рівномірною щільністю ват або кілька розташованих у шаховому порядку нагрівачів, якщо для рівномірності процесу потрібен довший нагрівач. Протягом кількох місяців єдиний довгий обігрівач із високою часткою оголення вийде з ладу. Толерантність до впливу обігрівача не змінюється, як і рівень. Додайте надлишковість або розмір для найгіршого сценарію-. Найнижчий рівень, а не найвищий, визначає, скільки прослужить ваш обігрівач.