Як вибрати правильний діаметр нагрівача PFA для певної відстані між перегородками резервуара, щоб підтримувати мінімальну швидкість обхідного потоку?

Резервуари з перегородкою використовуються для змішування, хімічних реакцій і передачі тепла, а простір між перегородкою та стінкою резервуара забезпечує обхідний канал потоку. Щоб забезпечити передачу тепла та запобігти локальному перегріву, швидкість потоку має бути достатньо високою за нагрівачем, якщо в цьому каналі встановлено нагрівач PFA. Для водопостачання обігрівачі PFA повинні мати мінімальну швидкість обхідного потоку 0,3-0,5 м/с, щоб підтримувати температуру поверхні PFA в межах 10 градусів від основної рідини при нормальній густині ват (3-5 Вт/см2). Для певної відстані перегородки (відстань між краєм перегородки та стінкою резервуара) діаметр нагрівача має бути обраний таким чином, щоб площа поперечного перерізу перепускного каналу навколо нагрівача була достатньо великою для підтримки швидкості. Правило: OD нагрівача має бути менше або дорівнювати 50% ширини перегородки. Максимальний зовнішній діаметр нагрівача становить 50 мм для 100 мм зазору між перегородками. Максимальний OD нагрівача для відстані 50 мм становить 25 мм. Потік звужується більшими нагрівачами, що знижує швидкість і викликає перегрів.

Розрахунок обхідної швидкості потоку
Швидкість у перегородці становить v=Q / A, де Q — об’ємна швидкість потоку від мішалки або рециркуляційного насоса, а A — площа поперечного-перерізу щілини, не зайнятої теплообмінником. W=загальна ширина зазору, D=нагрівач OD, H=висота резервуара (передбачається, що він повністю занурений). Вільна область дорівнює A _free=(W - D) × H . Коли D наближається до W, A _free наближається до 0 і швидкість різко зменшується. Для v більше або дорівнює 0,3 м/с, A_free має бути більше або дорівнювати Q / 0,3. Для типового резервуара з мішалкою, що подає Q=0.05 м3/с (3 м3/хв), H=2 м, необхідний вільний A=0.05 / 0.3=0.167 м2. Тоді (Ш - Г) x 2=0.167. Звідси Ш - Г=0.0835 м=83.5 мм. Якщо W=150 мм, макс. D=150 - 83.5=66.5 мм. 65 мм нагрівач буде нормальним. Якщо W=100 мм, максимум D=100-83.5=16.5 мм-дуже скромний нагрівач. У цьому випадку неможливо вставити нагрівач в перегородку, його необхідно перемістити.

У випадку баків з природною конвекцією (без насоса, без мішалки) швидкість потоку створюється плавучістю. Максимальне збільшення швидкості вздовж нагрівача становить приблизно v=√(2 × g × × ΔT × L), де g=9.81 м/с2 — коефіцієнт теплового розширення (0,0004/градус для води), ΔT — різниця температур між поверхнею нагрівача та об’ємом (10 градусів), а L — довжина нагрівача (1 м). v=√(2 × 9,81 × 0,0004 × 10 × 1)=√(0,0785)=0.28 м/с-мінімум. Якщо ви будь-яким чином зменшите цю швидкість, ви ризикуєте перегрітися. Для природної конвекції діаметр нагрівача має бути менше або дорівнювати 30% ширини перегородки, щоб уникнути задушення.

Діаметр нагрівача проти. Таблиця вибору перегородок
Baffle Gap Width (mm) Flow Type Minimum Required v (m/s) Max Heater OD (mm) for v >= хв. Рекомендований зовнішній діаметр нагрівача (мм) Примітки
50 Примусовий (насос, мішалка) 0.3 25 20–25 Щільно, але можливо 50 Природна конвекція 0.25 15 12–16 Дуже маленький нагрівач
75 Примусовий 0.3 40 32–38 Добре 75 Природний 0.25 22 20-25 Прийнятний 100 Примусовий 0.3 58 50 Стандартний 100 Природний 0.25 30 25 Добре 125 Примусовий 0.3 83 75 можливий великий нагрівач 150 Примусовий 0.3 108 100 Типовий для великих баків
200 Forced 0.3 158 150 Можна встановити кілька обігрівачів
Вплив великого обігрівача в просторі перегородок
Якщо діаметр нагрівача занадто великий для перегородки (D > 0,6 × W для примусового потоку, D > 0,3 × W для природної конвекції), це створює три проблеми:

Застій потоку: швидкість падає нижче 0,2 м/с. Коефіцієнт теплопередачі h зменшується з 500 – 1 000 Вт/м 2 К до 100 – 300 Вт/м 2 К. При постійній щільності ват температура поверхні PFA підвищується на 20-50 градусів.

Локалізований перегрів: найгарячіша точка розташована нижче за нагрівачем (у кільватері). Різниця температур вище та нижче за потоком може досягати 20–30 градусів, що призводить до не-рівномірного теплового навантаження.

2.2 Прискорене утворення накипу Низька швидкість дозволяє частинкам і бульбашкам прилипати до нагрівача, що призводить до утворення накипу та біоплівки. Ще більше тепла втрачається в масштабі, створюючи позитивну петлю зворотного зв’язку.

Польовий огляд величезного нагрівача в перегородці показує певну закономірність; жовтий або коричневий PFA на нижній стороні, з білими відкладеннями накипу. Верхня сторона може виглядати нормально. Якщо ви бачите цю схему, ваш обігрівач завеликий для зазору.

Варіанти встановлення, коли зазор занадто малий
Якщо необхідний діаметр нагрівача більший за максимально допустимий у перегородці, пропонуються такі рішення:

Перемістіть нагрівач: розмістіть нагрівач у центрі бака (подалі від перегородок) або в контурі рециркуляції. Швидкість потоку при центральному монтажі часто більша, ніж у перегородках.

Використовуйте багато нагрівачів меншого розміру Використовуйте два нагрівачі діаметром 25 мм, а не один нагрівач діаметром 50 мм. Кожен менший нагрівач має зменшене обмеження потоку, але загальна площа поверхні (та потужність) може бути однаковою.

збільшити перегородку. Якщо конструкція резервуара дозволяє, збільште W шляхом переміщення перегородок або зменшення країв перегородок. Збільшивши відстань на 25 мм, можна додати 50 мм обігрівач там, де раніше містилося лише 32 мм.

Додайте прискорювач потоку: едуктор або струменеве сопло в перегородці збільшує локальну швидкість. Насадка використовує деяку кількість енергії насоса, але відновлює передачу тепла.

Приклад поля:
Змішувальний резервуар об'ємом 5000 л з перегородкою 80 мм. Завод побудував нагрівач PFA 63 мм (зазор 79%). Виміряна швидкість течії=0.12 м/с. Обігрівач було збільшено-протягом 3 місяців. Температура поверхні PFA була 115 градусів у воді 70 градусів (підвищення на 45 градусів). Завод замінив два 25 мм нагрівачі (рівної загальної потужності) з кожного боку перегородки. Швидкість навколо кожного нагрівача становила 0,35 м/с. Утворення накипу було зменшено, температура поверхні знижена до 85 градусів, а термін служби нагрівача збільшився з 6 місяців до 5 років. Два нагрівачі коштують дорожче (вдвічі500=500=1 000), ніж один 63-міліметровий нагрівач (800 доларів США), але довший термін служби та менший час простою окупилися за 18 місяців.

Висновок: зовнішній діаметр нагрівача менше або дорівнює 0,5 * перегородка для примусового потоку
Для нагрівача PFA у перегородці діаметр нагрівача має бути обраний таким чином, щоб зовнішній діаметр був меншим або дорівнював 0,5 ширини перегородкового зазору (Вт) для примусового потоку (накачуванням або з перемішуванням), а зовнішній діаметр був меншим або дорівнював 0,3 Вт для природної конвекції. Це дає достатню вільну площу для підтримки мінімальної обхідної швидкості потоку 0,3 м/с (примусовий) або 0,25 м/с (природний). Великі нагрівачі заглушають потік, що призводить до низької швидкості, високої температури поверхні, збільшення накипу та раннього виходу з ладу. Виміряйте зазор, визначте максимально допустимий OD і виберіть відповідний. Якщо необхідний OD виходить за межі, перемістіть нагрівач або використовуйте кілька маленьких нагрівачів. Перегородка призначена для потоку, а не для того, щоб запихати туди найбільший нагрівач. дотримуйтесь відстані, розмір нагрівача, зберігайте потік. Подаруйте своєму обігрівачу роки служби та подякуйте.