Come dimensionare un riscaldatore in PTFE per un serbatoio con copertura in plastica galleggiante per l'abbattimento dei fumi?

Sono modi meravigliosi per sopprimere i fumi e risparmiare energia. Aggiungere una copertura galleggiante a un serbatoio aperto è un metodo eccezionale per ridurre i fumi e risparmiare energia. Tuttavia, se stai calcolando la potenza di un nuovo riscaldatore per un serbatoio coperto, la normale regola pratica di "watt-per-gallone" diventa troppo conservativa, lasciandoti con un riscaldatore grande e costoso. L'aggiunta di una copertura in plastica galleggiante composta da sfere cave di plastica, un foglio di schiuma solida o piastrelle galleggianti modifica radicalmente il comportamento termico di un bagno liquido aperto. Il coperchio inibisce l'evaporazione, la principale modalità di perdita di calore per la maggior parte dei serbatoi industriali aperti. Tuttavia il riscaldatore deve essere dimensionato per due diverse circostanze operative: riscaldamento iniziale e mantenimento a regime. Per dimensionare correttamente i riscaldatori in PTFE per le applicazioni di copertura galleggiante del serbatoio è necessario comprendere l'impatto della copertura su ciascuna condizione.

Perché i serbatoi aperti perdono calore più velocemente dei serbatoi coperti - La fisica
I serbatoi esposti perdono calore attraverso tre meccanismi principali:

Evaporazione: le molecole si allontanano dalla superficie del liquido, sottraendo il calore latente della vaporizzazione. Questa è generalmente la perdita più grande, specialmente a temperature elevate (ad es. . 60–90 gradi).

Convezione: l'aria calda sopra il liquido sale, portando via il calore dalla superficie.

Irraggiamento e conduzione attraverso le pareti del serbatoio: il calore si irradia dalla superficie del liquido e viene condotto attraverso le pareti e il fondo del serbatoio.

Una copertura galleggiante fornisce una barriera tra la superficie del liquido e l'atmosfera e riduce notevolmente la perdita per evaporazione. La maggior parte delle coperture galleggianti hanno anche un certo valore isolante, riducendo così al minimo le perdite convettive e radiative dalla superficie. A seconda del design e dell'installazione della copertura, la perdita di calore complessiva da un serbatoio coperto può infatti essere ridotta del 50-70% rispetto a un serbatoio aperto. Tuttavia, la copertura non modifica il calore richiesto per aumentare la temperatura del liquido sfuso dall'avviamento a freddo alla temperatura operativa.

La copertura non influisce sul-potenza di riscaldamento
La potenza di riscaldamento iniziale dipende solo da:

Massa del liquido (in kg o lb)

Il calore specifico del liquido (per soluzioni a base di acqua, circa 4,18 kJ/kg grado o 1 BTU/lb grado F)

L'aumento di temperatura richiesto (da ambiente a setpoint, ΔT)

Il tempo di rampa consentito (ore o minuti)

Oppure, in numeri pratici, per l'acqua circa 2,5 watt-ora per gallone per grado F (0,66 Wh/L· grado ), trascurando le perdite di calore nel riscaldamento. Aggiungi le perdite (come dovrebbero sempre essere) e otterrai circa 3-4 W/gal- grado F per un serbatoio aperto non isolato. Una copertura mobile non fa alcuna differenza in questo calcolo. Questo perché all'inizio del riscaldamento la superficie del liquido è fredda e le perdite per evaporazione sono piccole fino a quando la temperatura non si avvicina al setpoint. Ancora più importante, il coperchio non diminuisce la quantità di energia che deve essere immessa nella massa liquida. Quindi il consumo di energia elettrica per il riscaldamento è esattamente lo stesso di quello di un bollitore scoperto.

Potenza di mantenimento: drasticamente ridotta
Quando il serbatoio è alla temperatura operativa, il riscaldatore deve svolgere semplicemente il lavoro di sostituzione del calore perso nell'ambiente circostante. In un serbatoio aperto prevale la perdita evaporativa. Una copertura galleggiante elimina virtualmente la perdita per evaporazione (se è completamente sigillata) e diminuisce le perdite superficiali convettive e radiative. Il resto delle perdite è a carico di:

Pareti e fondo vasca (conduzione)

La copertura flottante stessa (conduzione attraverso la plastica)

Qualsiasi spazio tra il coperchio e le pareti del serbatoio

In pratica il potere di mantenimento di un serbatoio coperto può essere stimato pari al 30-50% del valore di mantenimento di un serbatoio aperto. Ad esempio, un comune bagno di decapaggio o pulizia a base d'acqua a 60-70 gradi avrebbe un mantenimento a serbatoio aperto di circa 20-30 W/ft^2 di superficie liquida, più perdite sulle pareti. Con una copertura a sfera in plastica flottante, le perdite superficiali si riducono a 5-10 W/ft2. Un solido foglio di schiuma galleggiante può essere ancora più basso.

Come dimensionare un riscaldatore in PTFE per un serbatoio coperto
La giusta metodologia di dimensionamento si basa su 2 calcoli e il maggiore dei 2 viene utilizzato per calcolare i watt installati.

Passaggio 1: calcolo della potenza di riscaldamento- di accensione (da eseguire, con o senza copertura)
Calcolare il volume del liquido in galloni o litri

Moltiplicare per la densità per ottenere la massa.

Selezionare un tempo di rampa realistico (solitamente 2–4 ore per la maggior parte dei serbatoi industriali).

Determinare la potenza necessaria per riscaldare il liquido dalla temperatura ambiente (ad es. . 20 grado ) al setpoint (ad es. . 70 grado ) in quel lasso di tempo, utilizzando il calore specifico del liquido.

Aggiungi una percentuale per le perdite durante il riscaldamento-(circa il 10-20% per un serbatoio coperto durante il riscaldamento, poiché la superficie sta ancora perdendo calore quando la temperatura aumenta).

Un serbatoio dell'acqua da 500 galloni (≈ 4000 libbre) deve essere riscaldato da 20 gradi a 70 gradi (ΔT=50 gradi=90 gradi F) in 3 ore. In teoria, l'energia è 4000 lb × 90 gradi F × 1 BTU/lb· grado F=360,000 BTU. 360,000 BTU ÷ 3412 BTU/kWh=105.5 kWh, o converti in kW. Potenza media=35.2 kW in 3+ ore. Aggiungete il 15% per le perdite e otterrete circa 40 kW di potenza di riscaldamento.

Passaggio 2: calcolare la potenza di mantenimento (meno copertura)
Stimare la perdita di calore totale dal serbatoio coperto al setpoint. Ciò comprende:

Perdita della superficie della copertura galleggiante (utilizzare i dati del produttore o le stime tecniche: ~5–10 W/ft^2 per palline di plastica, ~3–6 W/ft^2 per fogli di schiuma solida a 20 gradi di differenza di temperatura dell'aria-liq.)

Perdite sulle pareti e sul fondo (non dipendenti dalla copertura, solitamente da 5 a 15 W/ft² di superficie esterna del serbatoio)

Sommare queste perdite per ottenere i watt di mantenimento allo stato stazionario.

Ad esempio, un serbatoio da 500 galloni ha una superficie liquida di 20 piedi quadrati. Sfere di plastica galleggianti, perdita di superficie=8 W/ft 2=160 W. Area del muro (esclusa la parte superiore)=80 ft 2 Perdita del muro=10 W/ft 2=800 W Totale manutenzione=960 W (≈1 kW). Anche con un fattore di sicurezza conservativo pari a 2, la manutenzione è ancora di soli 2 kW.

Passaggio 3: confronto e selezione della potenza installata
La potenza di riscaldamento- (40 kW) è significativamente maggiore della potenza di mantenimento (1-2 kW). La potenza installata del riscaldatore PTFE deve essere di almeno 40 kW per il tempo di riscaldamento richiesto. La copertura non diminuisce questo requisito. Una volta che il serbatoio è a temperatura, tuttavia, il riscaldatore si spegnerà o funzionerà a un ciclo di lavoro molto basso, assorbendo solo 1-2 kW necessari per compensare le perdite. Si tratta di un notevole risparmio energetico rispetto ad un serbatoio aperto che può richiedere 4-6 kW per la manutenzione.

L'aggiunta di una copertura rende il serbatoio un sistema-stazionario migliore, ma non modifica la termodinamica del riscaldamento dal freddo. Il dimensionamento basato esclusivamente sulla potenza di manutenzione fornirebbe un riscaldatore in grado di mantenere la temperatura, ma richiederebbe un tempo irragionevolmente lungo (diverse ore o giorni) per raggiungere il setpoint da un avvio a freddo.

Guida pratica al dimensionamento dei riscaldatori in PTFE
Applicazione del coperchio flottante del serbatoio con dimensioni del riscaldatore in PTFE: Si consigliano le seguenti azioni:

Calcola sempre prima la potenza di riscaldamento-utilizzando il volume del serbatoio, il tempo di rampa richiesto e il calore specifico del liquido. Ciò influenzerà quasi sempre la potenza totale installata.

Stimare i costi operativi e calcolando la potenza di manutenzione con il coperchio montato, assicurarsi che la potenza controllabile più bassa del riscaldatore (se si utilizza un controller di potenza) possa essere abbassata abbastanza da evitare il superamento della temperatura.

Non ridurre la potenza termica a causa della copertura. Ciò significa riscaldamento-lento, avvio tardivo della produzione e clienti insoddisfatti.

Utilizzare diversi piccoli riscaldatori anziché un riscaldatore grande. Migliore uniformità e ridondanza della temperatura. Ciò è particolarmente vero nei serbatoi con copertura, perché la copertura può ostacolare le correnti di convezione naturale.

Il riscaldatore in PTFE dovrebbe trovarsi sotto il coperchio galleggiante, solitamente sul fondo del serbatoio per una buona circolazione. Non permettere che il coperchio tocchi il riscaldatore.

Considerazioni speciali: selezione del ciclo e del termostato
La capacità del riscaldatore installata è di 40 kW e il carico di manutenzione può essere pari a 1–2 kW. Pertanto, un normale termostato on-off con un differenziale significativo può generare oscillazioni di temperatura troppo elevate (superamento e mancato raggiungimento). Si consiglia un controller PID o un regolatore di potenza proporzionale (SCR). Questi dispositivi riducono la potenza quando viene raggiunto il setpoint, quindi il grande elemento da 40 kW non riversa tutto il calore in un serbatoio che necessita di soli 2 kW di energia sostitutiva.

Riepilogo
L'uso della copertura galleggiante in plastica è un'efficace strategia di risparmio energetico per i serbatoi aperti poiché riduce la perdita di calore per evaporazione e la formazione di fumi. Per quanto riguarda il dimensionamento del riscaldatore, la copertura riduce notevolmente il fabbisogno energetico per la manutenzione, ma non riduce i requisiti energetici per il riscaldamento-. La potenza del riscaldatore in PTFE installato deve comunque essere basata sull'energia richiesta per riscaldare l'intero volume di liquido dalla temperatura ambiente a quella operativa entro un periodo accettabile. Il vantaggio principale si verifica dopo il riscaldamento-, quando il riscaldatore si riduce a una frazione della sua capacità installata, riducendo sostanzialmente le spese operative. Le misure di risparmio energetico dovrebbero essere integrate nel processo di dimensionamento, non riducendo le dimensioni del riscaldatore installato ma scegliendo i sistemi di controllo adeguati che sfruttino la minore domanda in stato stazionario-. Un serbatoio di dimensioni adeguate si riscalda rapidamente quando richiesto e funziona in modo efficiente sotto la copertura, garantendo produttività e risparmio energetico.