Come dimensionare un riscaldatore in PTFE per un serbatoio con un agitatore a elica montato lateralmente-?

Un agitatore a elica montato lateralmente- crea una forte corrente orizzontale di liquido, che scorre intorno al serbatoio come un fiume. Un riscaldatore ad immersione in PTFE immerso in questo movimento fluido può dissipare il calore in modo molto più efficace di uno funzionante in un serbatoio quiescente. Ma il riscaldatore deve essere posizionato correttamente nel flusso circolante, nel flusso veloce che entra proprio prima che l'elica attiri il liquido verso l'interno.

Nella difficoltà ingegneristica di dimensionare i sistemi di agitazione con elica laterale del riscaldatore in PTFE, l'agitatore è più di un dispositivo di miscelazione. Prende parte attiva al meccanismo di raffreddamento del riscaldatore. L'agitatore e il riscaldatore sono adeguatamente integrati per offrire prestazioni termiche notevolmente migliorate mantenendo al contempo sicure le temperature della guaina in PTFE.

Perché l'agitazione influisce sul dimensionamento del riscaldatore
Il riscaldatore ad immersione in PTFE trasmette energia al liquido per convezione sulla superficie della guaina.

In una piscina immobile:

La principale modalità di trasporto del calore è la convezione naturale

Un fluido caldo fuoriuscì lentamente dalla guaina

Viene lentamente sostituito da un liquido più fresco

Il raffreddamento superficiale è ancora limitato

I riscaldatori in PTFE devono essere utilizzati a densità di watt conservative in queste condizioni per evitare che la guaina superi il limite di temperatura pratico di circa 110 gradi durante il servizio di immersione.

Un'elica aggiunta lateralmente influisce in modo significativo su questo quadro termico.

La convezione forzata migliora il trasferimento di calore.
L'elica muove attivamente il liquido attraverso la superficie del riscaldatore producendo così una convezione forzata.

Maggiore velocità del fluido
Velocità crescente del liquido:

Gli strati limite sono più sottili

Il calore viene portato via più rapidamente

Raffreddamento superficiale migliorato

Rischio ridotto di surriscaldamento locale

Il coefficiente di scambio termico aumenta notevolmente quando il flusso è forzato.

Numero di Reynolds per le prestazioni termiche
Il coefficiente di scambio termico per la convezione forzata è significativamente influenzato dal numero di Reynolds.

Il numero di Reynolds cresce con:

Velocità del fluido più elevate

Dimensioni caratteristiche più grandi

Fluido di viscosità inferiore

Aumentando la velocità dell'agitatore aumenta l'agitazione del fluido che circonda il riscaldatore, aumentando così la turbolenza e la miscelazione e migliorando l'evacuazione del calore dalla guaina in PTFE.

Questa capacità di raffreddamento migliorata consente un maggiore carico del riscaldatore senza violare i limiti di temperatura della guaina di sicurezza.

Maggiore capacità di densità di watt
Uno dei principali vantaggi degli agitatori montati lateralmente- è la possibilità di migliorare la densità dei watt del riscaldatore.

Aumento della densità di watt tipica
L’agitazione forzata può spesso consentire rispetto alle condizioni di convezione naturale:

Densità di watt consentita superiore dal 20% al 50%.

L'aumento preciso dipende da

Proprietà dei fluidi

Velocità del flusso

Geometria dei serbatoi

Posizione del riscaldatore

Progettazione dell'agitatore

Questo maggiore carico ammissibile può diminuire:

Dimensioni del riscaldatore

Numero di elementi necessari

Ingombro di installazione

Complessità elettrica.

Lasciamo che sia il presente a svolgere il compito di raffreddare la guaina.

L'importanza della posizione del riscaldatore
La regola più importante nel dimensionamento di un sistema di agitazione con elica laterale di un riscaldatore in PTFE è la posizione corretta.

La qualità del raffreddamento è diversa in tutte le sezioni del flusso all'interno del serbatoio.

Posizione migliore: davanti all'ingresso dell'elica
Qual è il posto migliore per una stufa?

Sulla parete del serbatoio

Appena sopra l'aspirazione dell'elica

Nella regione del flusso in entrata più forte

Quest'area generalmente copre:

Velocità stazionaria del fluido

Raffreddamento uniforme.

Movimento direzionale coerente

Massima efficienza convettiva

Il flusso in entrata spinge costantemente il liquido più freddo attraverso la superficie riscaldante prima di entrare nelle pale dell'agitatore.

Ciò porta ad un raffreddamento della guaina altamente efficiente e prevedibile.

La zona di dimissione: perché dovresti starne fuori
La zona di scarico dell'elica può sembrare attiva, ma di solito non è un posto adatto per posizionare un riscaldatore.

Sfide nel flusso di scarico
La zona di scarico è solitamente costituita da:

Turbinii turbolenti e

Ricircolo vorticoso

Fluttuazioni di velocità

Vibrazioni meccaniche

Tali condizioni di flusso instabile potrebbero causare:

Riscaldamento della guaina non-uniforme

Hotspot locali

Carichi idrodinamici in oscillazione

Affaticamento da vibrazioni

Lo stress meccanico ripetuto sui riscaldatori in PTFE direttamente nel flusso di scarico può ridurre la durata utile.

Stima della velocità del flusso
È necessario stimare la velocità del liquido nella posizione del riscaldatore per poter dimensionare correttamente il riscaldatore.

Metodi per la stima della velocità
La velocità del flusso dell'agitatore può essere determinata da:

Diametro dell'elica

Velocità di rotazione (rpm)

Passo dell'elica

Geometrie dei serbatoi

Valutazione Per essere più precisi può includere:

Fluidodinamica computazionale (CFD)

Sonde per la misurazione del flusso

Test della tintura

Curve di prestazione del produttore

Stime di velocità più accurate aumentano la fiducia nei calcoli della densità di watt consentita.

Requisiti per il supporto meccanico
Un riscaldatore a flusso forzato è soggetto a un carico idrodinamico continuo.

Rafforzamento delle strutture
La struttura di supporto deve essere progettata per resistere:

Forza di trascinamento costante.

Vibrazioni indotte dal flusso-

Stress meccanico (ciclico)

Carico di coppia-

Le azioni di supporto comuni includono:

Staffe di montaggio rinforzate

Bretelle incrociate-

Distanziali resistenti alle vibrazioni

Ancoraggi rigidi lato serbatoio

Le vibrazioni a lungo termine in condizioni di supporto insufficienti possono portare a:

Crepe dovute alla fatica

Allentamento del montaggio

Malfunzionamenti elettrici

Danni al rivestimento in PTFE

Conteggio delle proprietà dei fluidi
L'efficacia della convezione forzata dipende fortemente dal fluido di processo stesso.

Fluidi a bassa viscosità
Liquidi sottili come:

Acqua.

Acidi, diluiti

Soluzioni per la placcatura

rispondono bene all'agitazione e generano un notevole raffreddamento convettivo.

Fluidi ad alta viscosità
Soluzioni più viscose danno come risultato:

Numeri Re bassi

Meno colpi

Strati limite termici più spessi

In alcuni sistemi, il vantaggio dell'agitazione potrebbe essere ridotto e potrebbe essere necessaria una selezione più conservativa della densità di watt.

Alcune altre considerazioni sulla progettazione
Ci sono anche alcuni aspetti aggiuntivi da considerare nel dimensionamento del riscaldatore.

Evitare l'area di cavitazione
Il riscaldatore non deve essere posizionato nelle aree di cavitazione a bassa pressione formate dall'elica.

Mantenere la profondità di immersione
• Mantenere un'adeguata copertura del liquido durante l'agitazione e le regolazioni del livello del processo.

Posizione del sensore di temperatura
Le termocoppie di controllo devono essere posizionate in regioni rappresentative del flusso misto e non a diretto contatto con il riscaldatore.

Vantaggi pratici dei sistemi di riscaldamento agitati
Le prestazioni dell'intero sistema termico possono essere notevolmente migliorate con la giusta integrazione di un agitatore montato lateralmente-.

I vantaggi includono:

Tempi di riscaldamento più rapidi

temperatura uniforme nel serbatoio

Ingombro ridotto del riscaldatore

Migliore efficienza energetica

Temperatura inferiore della guaina

Maggiore vita ai riscaldatori

Di conseguenza, la miscelazione controllata con riscaldamento efficace spesso fornisce un ambiente di processo più stabile nell'aggregato.

Astratto
Un agitatore ad elica montato lateralmente- può fornire un notevole vantaggio termico nei sistemi di riscaldamento a immersione in PTFE migliorando notevolmente la convezione forzata attorno alla guaina del riscaldatore. La maggiore velocità del liquido aumenta il coefficiente di trasferimento del calore e consente densità di watt molto più elevate di quelle che sarebbero sicure in un serbatoio a convezione naturale.

Il segreto del successo è un buon posizionamento. Posizionando il riscaldatore a monte dell'aspirazione dell'agitatore, la guaina si trova in un flusso in ingresso forte e costante, che offre un raffreddamento efficace e uniforme. Al contrario, la posizione nel flusso di scarico turbolento potrebbe produrre problemi di vibrazioni, raffreddamento instabile e fatica meccanica.

Fornendo una stima accurata del flusso, un supporto meccanico robusto e un'attenta integrazione tra il miscelatore e il riscaldatore, il sistema può funzionare in modo più compatto ed efficiente, pur mantenendo temperature operative sicure del PTFE.

Il riscaldatore e l'agitatore non devono essere componenti in competizione per lo spazio in una buona progettazione del serbatoio di processo. I migliori sistemi termici sono quelli in cui la miscelazione e il riscaldamento sono concepiti come un'unica unità cooperante.