V nádrži s meniacou sa hladinou kvapaliny (napr. dávkové spracovanie, výparníky, ochladzovacie nádrže), príliš dlhý ohrievač PFA bude mať nadmernú časť vystavenú parnej zóne pri nízkych hladinách kvapaliny, čo spôsobí prehriatie a predčasné zlyhanie. Požadovaná dĺžka ohrievača je určená minimálnou hladinou kvapaliny, nie maximálnou. Bezpečná konštrukcia udržuje odkrytú časť ohrievača (zóna pár) na alebo pod 20 – 25 % jeho celkovej dĺžky. Pre minimálnu hladinu kvapaliny 500 mm je maximálna dĺžka ohrievača 500 / (1 – 0,25)=667 mm. To zaisťuje, že na najnižšej úrovni zostane aspoň 75 % ohrievača ponorených a exponovaná časť pracuje pri zníženej povrchovej teplote. Ak je potrebný dlhší ohrievač na rovnomerné zahrievanie pri maximálnom naplnení, nainštalujte viacero stupňovitých ohrievačov alebo použite ohrievač s nerovnomernou hustotou wattov (nižší výkon v hornej zóne).
Mechanizmus prehrievania parnej zóny
V kvapalnej zóne je koeficient prestupu tepla (h) typicky 500–5 000 W/m²·K. V parnej zóne (vzduch, para alebo kyslá para) h klesá na 10–100 W/m²·K. Pre ohrievač s rovnomernou hustotou q (W/cm²) vo wattoch je povrchová teplota v parnej zóne T_vapor=T_ambient + q / h_vapor. Pre q=3 W/cm² (30 000 W/m²) a h_vapor=30 W/m²·K, T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 stupňov – nemožné. V skutočnosti sa ohrievač sám-reguluje, keď sa odpor zvyšuje s teplotou, ale teplota plášťa PFA môže stále dosiahnuť 250 – 350 stupňov , čo spôsobí roztavenie alebo vážnu degradáciu. Bezpečný tepelný tok parnej zóny je menší alebo rovný 1,0 W/cm², čo si vyžaduje q_vapor menšie alebo rovné 10 000 W/m². Pre rovnomerný ohrievač, q_vapor=q_liquid. Jediným spôsobom, ako udržať parnú zónu v bezpečí, je preto obmedziť časť vystaveného ohrievača, takže účinná plocha rozptylu tepla v parnej zóne je dostatočne veľká na zníženie skutočného toku. Ale ak má ohrievač jednotnú hustotu wattov, odkrytá časť stále generuje rovnaký výkon na jednotku dĺžky. Nárast teploty závisí od h_vapor, ktorý je pevný. Namiesto toho je riešením použiť dlhší ohrievač s rovnakým celkovým výkonom, takže hustota wattov (q) je nižšia v celom ohrievači. Pre pevný celkový výkon P, dĺžka L, q=P / (π × D × L). Zvýšenie L znižuje q úmerne.
Metóda výpočtu minimálnej dĺžky ohrievača
Nechajte:
L_min=minimálna hladina kvapaliny (mm)
L_heater=celková dĺžka ohrievača (mm)
f_exposed=L_exposed / L_heater=(L_heater – L_min) / L_heater=časť vystavená
q_design=hustota wattov (W/cm²) na základe celkového výkonu a plochy povrchu
Pre bezpečnú prevádzku parnej zóny musí byť tepelný tok parnej zóny menší alebo rovný q_max_vapor=1.0 W/cm². Ak má však ohrievač rovnomerné q, zóna pary vidí rovnaké q. Preto musí byť ohrievač navrhnutý tak, aby exponovaná frakcia bola malá, alebo celkové q bolo dostatočne nízke, aby bola aj exponovaná časť bezpečná. Najpraktickejší prístup: dizajn s nízkym celkovým q (menej alebo rovným 1,5 W/cm²) a limitom f_exposed na menej než alebo rovný 0,25.
Pravidlo: L_heater Menšie ako alebo rovné L_min / (1 – f_max), kde f_max=maximálny povolený podiel vystavenia (zvyčajne 0,20–0,25). Pre L_min=500 mm, L_heater Menšie alebo rovné 500 / 0.75=667 mm.
Dĺžka ohrievača potrebná pre scenáre rôznych úrovní
| Minimálna hladina kvapaliny (mm) | Maximálna hladina kvapaliny (mm) | Odporúčaná dĺžka ohrievača (mm) | Exponovaná frakcia na minimálnej úrovni (%) | Celková q (W/cm²) pri 6 kW, vonkajší priemer 25 mm | Bezpečnosť v parnej zóne |
|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 2,000 | 650 | 23% | 4,7 (príliš vysoká) | Nebezpečné, pokiaľ q nie je znížené |
| 500 | 2,000 | 1,200 | 58% | 2.5 | Nebezpečné (exponované príliš vysoko) |
| 500 | 2,000 | 650 (iba s 3 kW) | 23% | 2.35 | Prijateľné (q nízke) |
| 800 | 2,000 | 1,000 | 20% | 3.0 | Hraničný (q pri limite) |
| 800 | 2,000 | 1 200 (so zníženým výkonom) | 33% | 2.0 (derated) | Prijateľné |
| 1,000 | 3,000 | 1,250 | 20% | 2.4 | Dobre |
Ak je požadovaná dĺžka ohrievača pre plné pokrytie na maximálnej úrovni oveľa väčšia ako bezpečná dĺžka na minimálnej úrovni, riešením sú viacnásobné stupňovité ohrievače. Napríklad použite krátky ohrievač (650 mm) namontovaný dole, stredný ohrievač (1 200 mm) namontovaný vyššie a dlhý ohrievač (2 000 mm) hore. Keď je hladina nízka, funguje iba spodný ohrievač; všetky fungujú, keď sú plné.
Príklad poľa
A waste evaporator had a minimum liquid level of 600 mm and a maximum of 2,500 mm. A single 2,000 mm PFA heater was installed. At minimum level, 1,400 mm (70%) was exposed to vapor. The heater failed within 3 months. 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 >1 800 mm. Žiadny ohrievač nikdy nezaznamenal viac ako 20% vystavenie. Všetky tri ohrievače vydržali 5+ rokov.
Nejednotná wattová hustota ako alternatíva
Ak nie je možné použiť viacero ohrievačov, špecifikujte jeden ohrievač s -rovnomernou hustotou wattov: horných 30 % dĺžky ohrievača produkuje iba 20 % energie na jednotku dĺžky, zatiaľ čo spodných 70 % produkuje 80 %. To sa dá dosiahnuť zmenou rozstupu odporového drôtu (pozri článok #25). Na minimálnej úrovni má odkrytá horná časť nižší tepelný tok, čím sa znižuje povrchová teplota. Tento dizajn zvyšuje výrobné náklady o 20–30 %, ale umožňuje, aby jeden ohrievač vyhovoval rôznym úrovniam.
Záver: Dĺžka základného ohrievača na minimálnej úrovni kvapaliny s 20–25% povolenou expozíciou
Aby sa zabránilo prehriatiu parnej zóny, dĺžka ohrievača PFA pre nádrž s meniacou sa hladinou kvapaliny sa musí vypočítať z minimálnej hladiny kvapaliny, nie z maximálnej. Bezpečný dizajn udržuje exponovanú frakciu na alebo pod 20–25 % na minimálnej úrovni. Pre minimálnu úroveň 500 mm je maximálna dĺžka ohrievača 650–670 mm. Ak je pre rovnomernosť procesu potrebný dlhší ohrievač, použite viacero stupňovitých ohrievačov alebo ohrievač s nerovnomernou hustotou wattov. Jediný dlhý ohrievač pracujúci s veľkou exponovanou frakciou zlyhá v priebehu niekoľkých mesiacov. Úroveň sa mení, ale tolerancia ohrievača voči expozícii nie. Dimenzujte ho pre najhorší prípad alebo pridajte redundanciu. Životnosť vášho ohrievača závisí od najnižšej úrovne, nie od najvyššej.
