Come selezionare il diametro corretto del riscaldatore PFA per la spaziatura dei deflettori di un determinato serbatoio per mantenere la velocità minima di bypass del flusso?

I serbatoi con deflettore vengono utilizzati per la miscelazione, le reazioni chimiche e la trasmissione del calore e lo spazio tra il deflettore e la parete del serbatoio fornisce un canale di bypass del flusso. Per garantire il trasferimento di calore ed evitare surriscaldamenti localizzati, la velocità del flusso deve essere sufficientemente elevata oltre il riscaldatore se in questo canale è installato un riscaldatore PFA. Per il servizio idrico, i riscaldatori PFA devono avere una velocità minima di bypass del flusso di 0,3-0,5 m/s per mantenere la temperatura superficiale del PFA entro 10 gradi dal fluido sfuso a densità di watt normali (3-5 W/cm2). Per una certa spaziatura del deflettore (distanza tra il bordo del deflettore e la parete del serbatoio), il diametro del riscaldatore deve essere scelto in modo tale che l'area della sezione trasversale del canale di bypass attorno al riscaldatore sia sufficientemente grande da sostenere la velocità. Regola: il diametro esterno del riscaldatore deve essere inferiore o uguale al 50% della larghezza dello spazio del deflettore. Il diametro esterno massimo del riscaldatore è 50 mm per uno spazio di 100 mm tra i deflettori. Il diametro esterno massimo del riscaldatore per una spaziatura di 50 mm è 25 mm. Il flusso è limitato da riscaldatori più grandi, che riducono la velocità e provocano il surriscaldamento.

Calcolo della velocità di bypass del flusso
La velocità nell'intercapedine del deflettore è v=Q / A con Q la portata volumetrica proveniente dall'agitatore o dalla pompa di ricircolo e A l'area della sezione trasversale dell'intercapedine non occupata dallo scambiatore di calore. W=larghezza dello spazio totale, D=diametro esterno del riscaldatore, H=altezza del serbatoio (presunto completamente immerso). L'area libera è A _free=(L - P) × H . Quando D si avvicina a W, A _free si avvicina a 0 e la velocità diminuisce drasticamente. Per v Maggiore o uguale a 0,3 m/s, A_free deve essere Maggiore o uguale a Q / 0,3. Per un tipico serbatoio con agitatore che eroga Q=0.05 m3/s (3 m3/min), H=2 m, A libera=0.05 / 0.3=0.167 m2 necessaria. Allora (W - D) x 2=0.167. Quindi W - D=0.0835 m=83.5 mm. Se W=150 mm, il riscaldatore max D=150 - 83.5=66.5 mm. 65 mm andrebbe bene. Se W=100 mm, massimo D=100-83.5=16.5 mm-un riscaldatore molto modesto. In questa circostanza non è possibile inserire il riscaldatore nella fessura del deflettore, è necessario spostarlo.

Nel caso dei serbatoi a convezione naturale (senza pompa, senza agitatore) la velocità del flusso è generata dalla galleggiabilità. L'aumento massimo della velocità lungo un riscaldatore è di circa v=√(2 × g × × ΔT × L), dove g=9.81 m/s2 è il coefficiente di dilatazione termica (0,0004/grado per l'acqua), ΔT è la differenza di temperatura tra la superficie del riscaldatore e la massa (10 gradi) e L è la lunghezza del riscaldatore (1 m). v=√(2 × 9,81 × 0,0004 × 10 × 1)=√(0,0785)=0.28 m/s-al minimo. Se riduci questa velocità in qualsiasi modo corri il rischio di surriscaldarti. Per la convezione naturale, il diametro del riscaldatore deve essere inferiore o uguale al 30% della larghezza dello spazio del deflettore per evitare soffocamenti.

Diametro del riscaldatore rispetto a. Tabella di selezione dello spazio tra i deflettori
Baffle Gap Width (mm) Flow Type Minimum Required v (m/s) Max Heater OD (mm) for v >= min Diametro esterno riscaldatore consigliato (mm) Note
50 Forzato (pompa, agitatore) 0.3 25 20–25 Stretto ma fattibile 50 Convezione naturale 0.25 15 12–16 Riscaldatore molto piccolo
75 Forzato 0.3 40 32–38 Buono 75 Naturale 0.25 22 20-25 Accettabile 100 Forzato 0.3 58 50 Standard 100 Naturale 0.25 30 25 OK 125 Forzato 0.3 83 75 grande riscaldatore possibile 150 Forzato 0.3 108 100 Tipico per serbatoi grandi
200 Forzato 0.3 158 150 Può contenere più riscaldatori
Effetti di un riscaldatore sovradimensionato nello spazio del deflettore
Se il diametro del riscaldatore è troppo grande per lo spazio del deflettore (D > 0,6 × W per flusso forzato, D > 0,3 × W per convezione naturale) si creano tre problemi:

Stagnazione del flusso: la velocità scende al di sotto di 0,2 m/s. Il coefficiente di trasferimento del calore h diminuisce da 500 – 1 000 W/m 2 K a 100 – 300 W/m 2 K. Con una densità di watt costante, la temperatura superficiale del PFA aumenta di 20-50 gradi.

Surriscaldamento localizzato: il punto più caldo è a valle del riscaldatore (nella scia). La differenza di temperatura a monte e a valle può raggiungere i 20–30 gradi, il che porta a uno stress termico non-uniforme.

2.2 Incrostazione accelerata La bassa velocità consente alle particelle e alle bolle di aderire al riscaldatore, con conseguente formazione di incrostazioni e biofilm. Sulla scala si perde ancora più trasferimento di calore, producendo un circuito di feedback positivo.

L'ispezione sul campo di un enorme riscaldatore in un deflettore mostra uno schema definito; PFA ingiallito o marrone sul versante a valle, con depositi di scaglie bianche. Il lato a monte può sembrare normale. Se vedi questo schema, il tuo riscaldatore è troppo grande per lo spazio vuoto.

Opzioni di installazione quando lo spazio è troppo piccolo
Se il diametro del riscaldatore necessario è maggiore del massimo consentito nello spazio del deflettore, si suggeriscono le seguenti soluzioni:

Riposizionare il riscaldatore: posizionare il riscaldatore al centro del serbatoio (lontano dai deflettori) o in un circuito di ricircolo. La velocità del flusso nel montaggio centrale è spesso maggiore che negli spazi dei deflettori.

Utilizzare molti riscaldatori più piccoli Utilizzare due riscaldatori da 25 mm anziché un riscaldatore da 50 mm. Ogni riscaldatore più piccolo ha una limitazione del flusso ridotta, ma la superficie complessiva (e la potenza) potrebbero essere le stesse.

aumentare lo spazio tra i deflettori Se il design del serbatoio lo consente, aumentare la W spostando i deflettori o riducendo i bordi dei deflettori. Aumentando la distanza di 25 mm, è possibile aggiungere un riscaldatore da 50 mm laddove prima ne entravano solo 32 mm.

Aggiungi un acceleratore di flusso: un eduttore o un ugello a getto nello spazio del deflettore aumenta la velocità locale. Un ugello utilizza parte dell'energia della pompa, ma recupera la trasmissione del calore.

Esempio di campo:
Serbatoio di miscelazione da 5.000 L con apertura del deflettore di 80 mm. L'impianto ha costruito un riscaldatore PFA da 63 mm (gap del 79%). Velocità del flusso misurata=0.12 m/s. Il riscaldatore è stato ampliato-in 3 mesi. La temperatura superficiale del PFA era di 115 gradi in acqua a 70 gradi (aumento di 45 gradi). L'impianto ha sostituito due riscaldatori da 25 mm (pari potenza totale) su ciascun lato del deflettore. La velocità attorno a ciascun riscaldatore era di 0,35 m/s. Le incrostazioni sono state ridotte, la temperatura superficiale è stata abbassata a 85 gradi e la durata del riscaldatore è aumentata da 6 mesi a 5 anni. Due riscaldatori costano di più (2x500=500=1.000) di un riscaldatore da 63 mm ($ 800), ma la maggiore durata e i minori tempi di inattività vengono ripagati in 18 mesi.

Conclusione: diametro esterno del riscaldatore inferiore o uguale a 0,5 * Spazio del deflettore per il flusso forzato
Per un riscaldatore PFA in uno spazio del deflettore, il diametro del riscaldatore deve essere selezionato in modo tale che OD inferiore o uguale a 0,5 larghezza dello spazio del deflettore (W) per il flusso forzato (pompato o agitato) e OD inferiore o uguale a 0,3 W per convezione naturale. Ciò fornisce un'area libera sufficiente per mantenere una velocità di bypass minima del flusso di 0,3 m/s (forzata) o 0,25 m/s (naturale). I riscaldatori sovradimensionati soffocano il flusso, determinando una scarsa velocità, un'elevata temperatura superficiale, un aumento delle incrostazioni e guasti precoci. Misurare lo spazio, determinare il diametro esterno massimo consentito e scegliere in modo appropriato. Se il diametro esterno richiesto è fuori limite, spostare il riscaldatore o utilizzare diversi riscaldatori di piccole dimensioni. Lo spazio del deflettore serve per il flusso, non per inserire il riscaldatore più grande lì dentro. rispettare il distanziamento, dimensionare il riscaldatore, mantenere la portata. Regala anni di servizio alla tua stufa e grazie.