Come calcolare la lunghezza del riscaldatore PFA richiesta per un serbatoio con un livello minimo di liquido di 500 mm e un livello massimo di 2.000 mm senza surriscaldamento della zona vapore?

Un riscaldatore PFA eccessivamente lungo avrà una quantità eccessiva esposta alla zona di vapore a bassi livelli di liquido in un serbatoio con livelli di liquido variabili (come lavorazione batch, evaporatori o serbatoi di raffreddamento), con conseguente surriscaldamento e guasto precoce. Il livello minimo del liquido-piuttosto che quello massimo-determina la lunghezza necessaria del riscaldatore. Una progettazione sicura mantiene la sezione esposta (zona vapore) del riscaldatore pari o inferiore al 20–25% della sua lunghezza complessiva. La lunghezza massima del riscaldatore è 500 / (1 – 0,25)=667 mm per un livello minimo del liquido di 500 mm. Ciò garantisce che la parte esposta funzioni ad una temperatura superficiale inferiore e che almeno il 75% del riscaldatore rimanga immerso al livello più basso. Installa diversi riscaldatori distanziati o utilizza un riscaldatore con una densità di watt non-uniforme (potenza in uscita inferiore nella zona superiore) se è necessario un riscaldatore più lungo per un riscaldamento uniforme al massimo riempimento.

Meccanismo di surriscaldamento della zona di vapore
Il coefficiente di trasmissione del calore (h) nella zona liquida è solitamente compreso tra 500 e 5.000 W/m²·K. H diminuisce a 10–100 W/m²·K nella zona del vapore (aria, vapore o vapore acido). La temperatura superficiale nella zona del vapore di un riscaldatore con una densità di watt uniforme q (W/cm²) è T_vapore=T_ambiente + q / h_vapore. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 gradi è impossibile per q=3 W/cm² (30.000 W/m²) e h_vapor=30 W/m²·K. La temperatura della guaina in PFA può comunque superare i 250–350 gradi, il che potrebbe provocare scioglimento o danni gravi, anche se il riscaldatore si auto-regola realmente man mano che la resistenza aumenta con la temperatura. Poiché il flusso di calore della zona vapore sicura è inferiore o uguale a 1,0 W/cm², q_vapor deve essere inferiore o uguale a 10.000 W/m². q_vapor=q_liquid per un riscaldatore uniforme. Per garantire che l'effettiva area di dissipazione del calore nella zona del vapore sia sufficientemente grande da ridurre il flusso effettivo, l'unico metodo per mantenere sicura la zona del vapore è limitare la frazione di riscaldatore esposta. Tuttavia, la parte esposta produce comunque la stessa quantità di elettricità per unità di lunghezza, a condizione che il riscaldatore abbia una densità di watt uniforme. L'aumento della temperatura dipende dal valore fisso h_vapor. Piuttosto, è possibile utilizzare un riscaldatore più lungo con la stessa potenza totale per ridurre la densità di watt (q) in tutto il riscaldatore. q=P / (π × D × L) per una determinata potenza totale P e lunghezza L. Q diminuisce proporzionalmente all'aumentare di L.

Metodo per determinare la lunghezza minima del riscaldatore Sia:

L_min è il livello più basso del liquido in millimetri.

L_heater è la lunghezza totale del riscaldatore (mm).

f_esposto=L_esposto / L_riscaldatore=percentuale esposta=(L_riscaldatore – L_min) / L_riscaldatore

q_design è la densità di watt (W/cm²) determinata dalla superficie e dalla potenza totale.

Il flusso di calore della zona vapore deve essere inferiore o uguale a q_max_vapor=1.0 W/cm² per un funzionamento sicuro della zona vapore. D'altra parte, la zona del vapore sperimenta lo stesso q se il riscaldatore ha q uniforme. Di conseguenza, il riscaldatore deve essere costruito con una piccola frazione esposta o un basso q totale in modo che anche la parte esposta sia sicura. La strategia più sensata è ridurre f_esposto a inferiore o uguale a 0,25 e progettare con un q complessivo basso (inferiore o uguale a 1,5 W/cm²).

Come regola generale, L_heater < L_min / (1 – f_max), dove f_max è la frazione esposta massima consentita (solitamente tra 0,20 e 0,25). L_heater Inferiore o uguale a 500 / 0.75=667 mm per L_min=500 mm.

Lunghezza del riscaldatore necessaria per situazioni di diverso livello
Livello minimo di liquido (mm)Livello massimo di liquido (mm)Lunghezza suggerita del riscaldatore (mm) Frazione esposta del livello minimo (%)Q totale (W/cm²) a 6 kW, 25 mm DE Sicurezza zona vapore 500 2,000 650 23% 4,7 (troppo alta)Non sicuro a meno che q ridotto 500 2,000 1,200 58% 2,5 Non sicuro (esposto troppo alto) 500 2,000 650 (solo con 3 kW) 23% 2,35 Accettabile (q basso) 800 2,000 1,000 20% 3,0 Marginale (q al limite) 800 2,000 1,200 (con potenza ridotta) 33% 2,0 (declassato) Accettabile 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Buono
I riscaldatori multipli sfalsati sono la risposta se la lunghezza del riscaldatore necessaria per una copertura completa al livello massimo è significativamente più lunga della lunghezza di sicurezza al livello minimo. Ad esempio, posizionare un riscaldatore medio (1.200 mm) più in alto, un riscaldatore lungo (2.000 mm) in alto e un riscaldatore corto (650 mm) in basso. Quando il livello è basso funziona solo il riscaldatore inferiore; quando è pieno, funzionano tutti.

Esempio sul campo
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 >1.800 mm. Nessun riscaldatore ha mai registrato un’esposizione superiore al 20%. Tutti e tre i riscaldatori sono durati 5+ anni.

Densità di watt non-uniforme come alternativa
Se non è possibile utilizzare più riscaldatori, specificare un singolo riscaldatore con una densità di watt non-uniforme: il 30% superiore della lunghezza del riscaldatore fornisce solo il 20% della potenza per unità di lunghezza, mentre il 70% inferiore produce l'80%. Ciò può essere eseguito alterando il passo del filo di resistenza (vedi Articolo n. 25). L'area superiore esposta presenta un flusso di calore ridotto al livello minimo, che abbassa la temperatura superficiale. Sebbene questo design aumenti i costi di produzione del 20-30%, consente a un singolo riscaldatore di gestire diverse impostazioni.

In conclusione, lunghezza del riscaldatore di base con un livello minimo di liquido pari al 20–25% di tolleranza per l'esposizione
Per evitare il surriscaldamento della zona vapore, la lunghezza di un riscaldatore PFA per un serbatoio con livello del liquido variabile deve essere determinata dal livello minimo del liquido, non da quello massimo. Una progettazione sicura mantiene la percentuale esposta pari o inferiore al 20–25% al ​​livello minimo. La lunghezza massima del riscaldatore è 650–670 mm ad un livello minimo di 500 mm. Utilizzare un riscaldatore a densità di watt non-uniforme o diversi riscaldatori sfalsati se è necessario un riscaldatore più lungo per l'uniformità del processo. Nel giro di pochi mesi, un singolo riscaldatore lungo con un’elevata frazione esposta si romperà. La tolleranza all'esposizione del riscaldatore non cambia come cambia il livello. Aggiungi ridondanza o dimensionala per lo scenario-peggiore. Il livello più basso, non il più alto, determina quanto durerà il tuo riscaldatore.